Brevet FR2930591A1 — publié le 20091030

Optimisation du positionnement angulaire d'un distributeur de turbine en sortie d'une chambre de combustion de turbomachine La présente invention concerne une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, du type comportant une chambre annulaire de combustion et un distributeur de turbine agencé en sortie de la chambre de combustion. Une chambre de combustion de turbomachine comprend deux parois de révolution coaxiales qui s'étendent l'une à l'intérieur de l'autre et qui sont reliées à leurs extrémités amont par une paroi annulaire de fond de chambre équipée de moyens d'injection de carburant dans la chambre. Ces moyens d'injection comprennent une rangée annulaire d'injecteurs de carburant qui s'étendent sensiblement radialement par rapport à l'axe de la chambre et qui comportent à leurs extrémités radialement internes des têtes alignées avec des orifices de la paroi de fond de chambre. Le distributeur d'entrée de la turbine comporte une rangée annulaire d'aubes fixes qui s'étendent sensiblement radialement en sortie de la chambre de combustion. Dans la technique actuelle, le nombre d'aubes de distributeur est déterminé indépendamment du nombre d'injecteurs de carburant de la chambre et leur position angulaire vis-à-vis des injecteurs, autour de l'axe de la chambre, est quelconque. Cela se traduit par des hétérogénéités de température importantes entre les aubes du distributeur. En effet, les aubes qui sont disposées aléatoirement par rapport aux injecteurs ne sont pas toutes exposées au même environnement thermique car le profil de température des gaz de combustion en sortie de la chambre varie sur tout le pourtour de la chambre. Ces hétérogénéités de température peuvent entraîner une diminution de la durée de vie du distributeur et une diminution des performances de la turbomachine. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes. Elle propose à cet effet une turbomachine, comportant une chambre annulaire de combustion, un distributeur comprenant une rangée annulaire d'aubes fixes agencées en sortie de la chambre, et une rangée annulaire d'injecteurs de carburant ayant des têtes alignées avec des orifices d'une paroi de fond de chambre, caractérisé en ce que le nombre d'aubes du distributeur est égal à k fois le nombre d'injecteurs, k étant un entier, et en ce que les aubes du distributeur sont positionnées angulairement autour de l'axe de la turbomachine de façon déterminée par rapport aux injecteurs de carburant, pour réduire les disparités thermiques des aubes en fonctionnement. Lorsque k est égal à 1, la tête de chaque injecteur est sensiblement alignée avec un bord d'attaque d'une aube du distributeur ou est située angulairement à mi-distance des bords d'attaque de deux aubes consécutives du distributeur. Lorsque k est égal à 2, la tête de chaque injecteur est située angulairement à mi-distance des bords d'attaque de deux aubes consécutives du distributeur. Au contraire de la technique antérieure, le nombre d'aubes du distributeur situé en sortie de la chambre est déterminé en fonction du nombre d'injecteurs alimentant cette chambre et peut être égal au nombre d'injecteurs de carburant. Dans ce cas, le distributeur est positionné angulairement vis-à-vis de la chambre de sorte que les têtes des injecteurs soient sensiblement alignées avec les bords d'attaque des aubes du distributeur, ou soient disposées en quinconce avec les bords d'attaque de ces aubes. Le nombre d'aubes de distributeur peut également être égal à deux fois le nombre d'injecteurs de carburant. Dans ce dernier cas, la tête de chaque injecteur est angulairement sensiblement à mi-distance des bords d'attaque de deux aubes consécutives du distributeur. Dans chacun des cas précités. les aubes du distributeur ont toutes une même position par rapport aux injecteurs de carburant, ce qui permet d'exposer toutes les aubes aux mêmes conditions de température qui sont notamment imposées par la combustion du carburant dans la chambre. Les aubes de distributeur ont donc sensiblement les mêmes contraintes thermiques en fonctionnement, ce qui améliore la durée de vie du distributeur et augmente les performances de la turbomachine. La tête de chaque injecteur peut être dans un plan qui passe par l'axe de la turbomachine, par le bord d'attaque d'une aube de distributeur et par au moins un orifice d'entrée d'air traversant la paroi de révolution interne et/ou au moins un orifice d'entrée d'air traversant la paroi de révolution externe de la chambre, le ou les orifices contenus dans chaque plan étant identiques aux orifices contenus dans les autres plans, et disposés de la même façon. Chaque plan passe par exemple par un orifice d'entrée d'air de dilution de la paroi de révolution externe et/ou par un orifice d'entrée d'air de dilution de la paroi de révolution interne de la chambre. Chaque aube de distributeur est ainsi alignée axialement avec une tête d'injecteur et avec des orifices d'entrée d'air traversant les parois de la chambre. L'environnement thermique en sortie de la chambre est fonction de la combustion des nappes de carburant pulvérisées par les injecteurs dans la chambre, ainsi que de la ventilation des parois de la chambre par l'air passant à travers les orifices de ces parois. Les aubes de distributeur ont ainsi toutes le même environnement thermique et sont donc bien soumises aux mêmes contraintes thermiques en fonctionnement. En variante, le bord d'attaque de chaque aube de distributeur peut être dans un plan qui passe par l'axe de la turbomachine et par au moins un orifice d'entrée d'air traversant la paroi de révolution interne et/ou au moins un orifice d'entrée d'air traversant la paroi de révolution externe de la chambre, le ou les orifices contenus dans chaque plan étant identiques aux orifices contenus dans les autres plans, et disposés de la même façon. Chaque plan passe par exemple par un orifice d'entrée d'air de dilution de la paroi de révolution externe et/ou par un orifice d'entrée d'air de dilution de la paroi de révolution interne de la chambre, et est sensiblement à mi-distance entre les axes des têtes de deux injecteurs consécutifs, chaque plan étant situé à un demi-pas d'injecteur de la tête d'un injecteur. En variante, chaque plan peut passer par un orifice d'entrée d'air de dilution et par un orifice d'entrée d'air primaire de la paroi de révolution externe et/ou par un orifice d'entrée d'air de dilution et par un orifice d'entrée d'air primaire de la paroi de révolution interne de la chambre, et est sensiblement à un quart de pas d'injecteur de la tête d'un injecteur. Dans tous les cas précités, les aubes sont toutes exposées aux mêmes conditions de température en fonctionnement. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'une chambre de combustion et d'un distributeur de turbine haute-pression d'une turbomachine ; - la figure 2 est une vue très schématique illustrant le nombre d'aubes de distributeur par rapport au nombre d'injecteurs de carburant dans une turbomachine selon l'invention ; - la figure 3 est une vue très schématique illustrant la position relative des aubes de distributeur par rapport aux injecteurs de carburant dans le cas de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue très schématique illustrant le nombre d'aubes de distributeur par rapport au nombre d'injecteurs de carburant dans une variante de réalisation d'une turbomachine selon l'invention ; - la figure 5 est une vue très schématique illustrant la position relative des aubes de distributeur par rapport aux injecteurs de carburant dans le cas de la figure 4. On a représenté partiellement en figure 1 une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comportant une chambre annulaire de combustion 10 agencée entre un diffuseur 12 et un distributeur 14 d'entrée d'une turbine haute-pression. La chambre 10 comprend des parois de révolution interne 14 et externe 16 reliées en amont à une paroi annulaire 18 de fond de chambre et fixées en aval par des brides annulaires interne 20 et externe 22 respectivement sur un voile tronconique interne 24 du diffuseur, et sur une extrémité aval d'un carter externe 26 de la chambre, l'extrémité amont de ce carter 26 étant reliée à un voile tronconique externe 28 du diffuseur. La paroi annulaire 18 de fond de chambre comporte des orifices 30 à travers lesquels passent de l'air provenant du diffuseur 12 et du carburant amené par des injecteurs 32 fixés sur le carter externe 26 et régulièrement répartis sur une circonférence autour de l'axe longitudinal 34 de la turbomachine. Chaque injecteur 32 comprend une tête 36 d'injection de carburant montée dans un orifice 30 de la paroi annulaire 18, cette tête 36 d'axe 38 étant alignée avec l'orifice 30. Une partie du débit d'air fourni par le compresseur et sortant du diffuseur 12 (flèches 40) passe par les orifices 30 et alimente la chambre de combustion 10 (flèches 42), l'autre partie du débit d'air alimentant des canaux annulaires interne 44 et externe 46 de contournement de la chambre de combustion 10 (flèches 48). Le canal interne 44 est formé entre le voile interne 24 du diffuseur 12 et la paroi interne 14 de la chambre. et l'air qui passe dans ce canal se partage en un débit 50 qui pénètre dans la chambre 10 par des orifices 52, 54 de la paroi interne 14 et en un débit 56 qui passe à travers des trous de la bride interne 20 de la chambre pour aller refroidir des composants, non représentés, situés en aval de cette chambre. Le canal externe 46 est formé entre le carter externe 26 et la paroi externe 16 de la chambre, et l'air qui passe dans ce canal se partage en un débit 58 qui pénètre dans la chambre 10 par des orifices 52, 54 de la paroi externe 16 et en un débit 60 qui passe à travers des trous de la bride externe 22 pour aller refroidir des composants en aval. Les orifices 52 appelés orifices d'entrée d'air primaire sont régulièrement répartis sur des circonférences des paroi interne 14 et externe 16, respectivement, centrées sur l'axe 34, et les orifices 54 appelés orifices d'entrée d'air de dilution sont régulièrement répartis sur des circonférences des paroi interne 14 et externe 16, respectivement, centrées sur l'axe 34 et en aval des orifices 52. Le distributeur 14 comporte deux parois de révolution 62 sensiblement cylindriques entre lesquelles s'étendent des aubes fixes 64 sensiblement radiales. Les parois 62 du distributeur s'étendent axialement dans la prolongement des parois 14, 16 de la chambre, en aval de celles-ci, et sont sectorisées, c'est-à-dire formées de plusieurs plates-formes à orientation circonférentielle disposées circonférentiellement bout à bout. Les aubes 64 du distributeur sont régulièrement réparties autour de l'axe 34 de la turbomachine. De façon connue, ces aubes 64 comprennent un bord amont 66 d'attaque et un bord aval 68 de fuite des gaz de combustion sortant de la chambre 10. Selon l'invention, le nombre d'aubes de distributeur 64 est un multiple entier du nombre d'injecteurs de carburant 32 de la chambre, et les aubes 64 sont positionnées angulairement autour de l'axe 34, vis-à-vis des injecteurs, de manière à être exposées aux mêmes conditions thermiques en fonctionnement. Dans les modes de réalisation représentés aux figures 2 et 3, les aubes 64 du distributeur sont aussi nombreuses que les injecteurs de carburant (k = 1). Dans la figure 2, les aubes 64, 64' sont représentées par des traits épais incurvés qui sont continus dans un premier mode de réalisation et discontinus dans une variante de réalisation. Les têtes 36 des injecteurs 32 sont représentées par des rectangles. Dans le premier mode de réalisation, les bords d'attaque 66 des aubes 64 du distributeur sont disposés en quinconce avec les têtes 36 des injecteurs 32. Dans la variante, les bords d'attaque 66' des aubes 64' sont alignés axialement avec les têtes 36 des injecteurs. Ces deux modes de réalisation sont illustrés en figure 3 qui représente une partie de la chambre de combustion et du distributeur d'une turbomachine selon l'invention, vue de dessus. Une seule tête d'injecteur 36 est représentée dans le dessin, cette 5 tête 36 étant alignée coaxialement avec un orifice 30 correspondant de la paroi 18 de fond de chambre. Chaque tête 36 pulvérise une nappe de carburant 70 dans la chambre 10, qui a une forme sensiblement tronconique, le tronc de cône s'étendant le long de l'axe 38 de la tête 36 et s'évasant vers l'aval. 10 On désigne par m le pas angulaire entre les injecteurs de carburant 36. m/2 désigne un demi-pas d'injecteur, et m/4 désigne un quart de pas d'injecteur. Dans l'exemple représenté, les parois de révolution 14, 16 de la chambre comprennent des orifices 52 d'entrée d'air primaire et des orifices 15 54, 54', 54" d'entrée d'air de dilution. Les orifices 52 d'entrée d'air primaire sont régulièrement répartis autour de l'axe de la turbomachine et sont à un demi-pas (m/2) d'injecteur les uns des autres. Les orifices 54, 54', 54" d'entrée d'air de dilution sont régulièrement répartis autour du même axe et sont à un quart de pas (m/4) 20 d'injecteur les uns des autres. On définit pour chaque injecteur de carburant 32 un plan PI passant par l'axe de la turbomachine et par la tête 36 de cet injecteur. Dans l'exemple représenté, ce plan P1 passe par un orifice 54 d'entrée d'air de dilution de relativement grand diamètre. Les orifices 52 25 d'entrée d'air primaire sont situés de part et d'autre du plan P1 à un quart de pas d'injecteur de celui-ci. Les orifices 54', 54" d'entré d'air de dilution sont situés de part et d'autre du plan F'1 à un demi-pas et à un quart de pas d'injecteur de ce plan, respectivement. Les orifices 52, 54, 54', 54" d'entrée d'air qui permettent de ventiler 30 les parois 14, 16 de la chambre influent sur le profil de température 72 des gaz de combustion en sortie de la chambre. Naturellement, plus le diamètre des orifices est important, plus le débit d'air de ventilation passant par ces orifices est important, et plus la température des gaz de combustion en sortie de la chambre est diminuée. Les gaz de combustion ont une température légèrement plus faible au niveau des plans P1 passant par les têtes 36 des injecteurs et par les orifices 54 de plus grand diamètre. Cette température augmente à mesure que l'on s'éloigne du plan P1 et est maximale à environ un demi-pas de part et d'autre de ce plan, dans l'alignement axial des orifices 54' de plus petit diamètre. Dans le premier mode de réalisation, chaque plan P1 est sensiblement à mi-distance des bords d'attaque 66 de deux aubes 64 consécutives du distributeur. Chaque bord d'attaque 66 de ces aubes 64 est dans un autre plan P2 qui passe par l'axe de la turbomachine et par les orifices 54' d'entrée d'air précités et qui se situe à un demi-pas d'injecteur du plan P1. Les bords d'attaque 66 des aubes 64 sont donc tous situés dans des zones où les gaz de combustion sont les plus chauds. Dans la variante de réalisation, chaque plan P1 passe par le bord d'attaque 66' d'une aube de distributeur 64'. Les bords d'attaque 66' des aubes 64' sont tous situés dans des zones où les gaz de combustion sont les plus froids. Dans une autre variante de réalisation représentée aux figures 4 et 5, les aubes de distributeur 64" sont deux fois plus nombreuses que les injecteurs de carburant 32 (k = 2). Chaque plan P1 qui passe par la tête 36 d'un injecteur est sensiblement à mi-distance des bords d'attaque 66" de deux aubes 64" consécutives. Les bords d'attaque 66" sont chacun dans un plan P4 qui est situé à un quart de pas d'injecteur du plan P1. Les bords d'attaque 66" des aubes sont ainsi tous positionnés dans une zone où les gaz de combustion ont une température moyenne, ni trop chaude ni trop froide.30 REVENDICATIONS1. Turbomachine, comportant une chambre annulaire de combustion (10), un distributeur (14) comprenant une rangée annulaire d'aubes fixes (64) agencées en sortie de la chambre, et une rangée annulaire d'injecteurs de carburant (32) ayant des têtes (36) alignées avec des orifices (30) d'une paroi de fond de chambre, caractérisé en ce que le nombre d'aubes du distributeur est égal à k fois le nombre d'injecteurs, k étant un entier, et en ce que les aubes du distributeur sont positionnées angulairement autour de l'axe (34) de la turbomachine de façon déterminée par rapport aux injecteurs de carburant, pour réduire les disparités thermiques des aubes en fonctionnement. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, lorsque k est égal à 1, la tête (36) de chaque injecteur (32) est sensiblement alignée avec un bord d'attaque (66) d'une aube (64) du distributeur ou est située angulairement à mi-distance des bords d'attaque de deux aubes consécutives du distributeur. 3. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, lorsque k est égal à 2, la tête (36) de chaque injecteur (32) est située angulairement à mi-distance des bords d'attaque (66) de deux aubes (64) consécutives du distributeur. 4. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que la tête (36) de chaque injecteur (32) est dans un plan (P1) qui passe par l'axe (34) de la turbomachine, par le bord d'attaque (66') d'une aube de distributeur (64') et par au moins un orifice (54) d'entrée d'air traversant la paroi de révolution interne (14) et/ou au moins un orifice d'entrée d'air traversant la paroi de révolution externe (16) de la chambre, le ou les orifices contenus dans chaque plan étant identiques aux orifices contenus dans les autres plans, et disposés de la même façon. 5. Turbomachine selon la revendication 4, caractérisée en ce que chaque plan (P1) passe par un orifice (54) d'entrée d'air de dilution de laparoi de révolution externe (16) et/ou par un orifice d'entrée d'air de dilution de la paroi de révolution interne (14) de la chambre. 6. Turbomachine selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le bord d'attaque (66, 66") de chaque aube de distributeur (64, 64") est dans un plan (P2, P4) qui passe par l'axe (34) de la turbomachine et par au moins un orifice (54', 52, 54") d'entrée d'air traversant la paroi de révolution interne (14) et/ou au moins un orifice d'entrée d'air traversant la paroi de révolution externe (16) de la chambre, le ou les orifices contenus dans chaque plan étant identiques aux orifices contenus dans les autres plans, et disposés de la même façon. 7. Turbomachine selon la revendication 6 en dépendance de la revendication 2, caractérisée en ce que chaque plan (P2) passe par un orifice (54') d'entrée d'air de dilution de la paroi de révolution externe (16) et/ou par un orifice d'entrée d'air de dilution de la paroi de révolution interne (14) de la chambre, et est sensiblement à mi-distance entre les axes (38) des têtes (36) de deux injecteurs consécutifs, chaque plan étant situé à un demi-pas d'injecteur de la tête (36) d'un injecteur (32). 8. Turbomachine selon la revendication 6 en dépendance de la revendication 3, caractérisée en ce que chaque plan (P4) passe par un orifice (54") d'entrée d'air de dilution et par un orifice (52) d'entrée d'air primaire de la paroi de révolution externe (16) et/ou par un orifice d'entrée d'air de dilution et par un orifice d'entrée d'air primaire de la paroi de révolution interne (14) de la chambre, et est sensiblement à un quart de pas d'injecteur de la tête (36) d'un injecteur (32)