Brevet FR2947035A1 — publié le 20101224

La présente invention concerne les moteurs à turbine à gaz et plus particulièrement les chambres de combustion de ces moteurs. Un moteur à turbine à gaz comprend au moins un ensemble, le rotor, tournant autour d'un axe et une chambre de combustion généralement annulaire. Le rotor est formé d'au moins un compresseur rotatif comprimant l'air admis dans le moteur et alimentant la chambre de combustion en air comprimé. L'air comprimé est mélangé à un carburant en entrée de la chambre pour alimenter un foyer de combustion. L'énergie produite par la combustion est récupérée au moins en partie dans les étages de turbine situés en aval de la chambre, dans lesquels le gaz est amené à se détendre. Un des étages de turbine est relié par un arbre au compresseur qu'il entraîne. Ce type de moteur est appliqué aussi bien dans l'industrie que pour la propulsion de véhicules, notamment aériens. Selon les applications le moteur est susceptible de comprendre une turbine libre. La chambre de combustion est disposée entre la section de compression et la section de turbine. Selon l'architecture du moteur, le flux de gaz est amené à subir des changements de direction plus ou moins importants entre la sortie du compresseur et l'entrée du premier étage de turbine. L'invention s'adresse plus particulièrement aux chambres de combustion dont le flux est inversé. A l'intérieur de la chambre, les gaz de combustion s'écoulent dans une direction opposée à celle du flux d'air issu du compresseur. Les gaz de combustion sortant du tube à flamme subissent à nouveau un changement de direction pour être guidés vers l'entrée de la turbine. On trouve ce type de chambre de combustion dans les moteurs, par exemple utilisés pour l'entraînement des rotors d'hélicoptère, à compression axialo-radiale. II s'agit de moteurs compacts de relativement faible taille, pour lesquels on compense l'encombrement radial par une longueur axiale réduite. Ce type de chambre de combustion comprend généralement un tube à flamme de forme annulaire autour de l'axe du moteur; la chambre est disposée dans une enveloppe sensiblement cylindrique avec laquelle la paroi extérieure du tube à flamme ménage un espace annulaire pour la circulation de l'air à admettre dans la chambre. L'air de dilution et de combustion est admis dans la chambre à travers des orifices prévus le long des parois, extérieure et intérieure, et par les injecteurs de carburant. Ces derniers, selon le modèle de chambre, sont disposés sur la paroi extérieure du tube à flamme ou sur la paroi transversale en aval, dite dôme, fermant l'espace annulaire entre les deux viroles annulaires du tube à flamme. Pour le refroidissement des parois, afin d'assurer une circulation convenable de l'air le long de leurs faces internes et former un film d'air froid, il est connu de disposer des déflecteurs au droit d'orifices, réalisés par micro perçage, pour dévier et guider l'air parallèlement à la paroi soit vers l'amont soit vers l'aval. Pour simplifier la fabrication de la chambre, il est connu pour réaliser le déflecteur dans la zone située immédiatement en aval du foyer de combustion de souder une lame de métal, sur la virole extérieure du tube à flamme. Cette lame est conformée de manière à former deux languettes annulaires à bord libre. L'une est tournée vers l'amont, l'autre tournée vers l'aval pour guider deux films d'air de refroidissement opposés le long de la face interne de la virole extérieure. Ce déflecteur présente en coupe axiale une section incurvée en forme sensiblement d'oméga majuscule, avec une partie centrale incurvée vers l'axe du tube à flamme et une partie latérale en forme de languette de part et d'autre de la partie centrale. Elle est s soudée par sa partie centrale à la virole. La température à laquelle les pièces sont soumises influant sur leur durée de vie, on cherche dans la mesure du possible à maintenir celle-ci aussi faible que possible compte tenu des conditions de fonctionnement. Cependant la maîtrise de la température des languettes du déflecteur 10 présenté ci-dessus est délicate au niveau de la zone soudée sur la virole de la chambre. La faible taille des moteurs du type considéré induit des ouvertures pour les perçages et les épaisseurs de film de petites dimensions, avec une maîtrise des flux difficile à réaliser. Cette maîtrise est difficile à obtenir en particulier en chaudronnerie qui est le mode de 15 fabrication courant de ces pièces pour son coût relativement faible. On a par exemple déjà réalisé des ouvertures radiales de relativement grand diamètre, éventuellement inclinées tangentiellement, à travers la partie soudée centrale du déflecteur pour alimenter la zone de la chambre située entre les deux lames en air de refroidissement. Les résultats ne sont pas 20 suffisants en termes de limitation d'échauffement de la paroi. L'objet de l'invention est d'améliorer la durée de vie des chambres de combustion présentant un déflecteur en forme d'oméga assurant le guidage de l'air de refroidissement. L'objet de l'invention, est plus particulièrement d'améliorer le refroidissement de la paroi de chambre dans la zone concernée par les déflecteurs en forme d'oméga. Conformément à l'invention on parvient au résultat visé avec une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz comportant une virole annulaire externe, percée d'orifices pour l'alimentation en air de refroidissement de ladite chambre et une bande métallique annulaire à section axiale en oméga formant un déflecteur avec une partie centrale et deux parties latérales, la partie centrale du déflecteur étant incurvée vers l'axe et les parties latérales étant en forme de languette, ledit déflecteur étant soudé à la paroi interne de la virole par sa partie centrale incurvée, des premiers orifices percés dans la virole débouchant au droit des languettes pour l'alimentation de films de refroidissement opposés. La chambre est caractérisée par le fait que ladite partie centrale du déflecteur est percée ensemble avec la virole extérieure de seconds orifices d'admission d'air de refroidissement entre les dits deux films opposés, en multiperçage. Comme cela est connu dans le domaine des turbomachines, les orifices formant un multiperçage sont de faible diamètre et sont répartis de manière régulière sur la surface à refroidir. Leur diamètre et leur espacement étant définis par le taux de perméabilité de la paroi souhaité. Le diamètre des trous est généralement plus faible que l'espace entre les trous. Grâce au multi perçage on supprime les points chauds et les gradients de température axiaux et azimutaux. Ainsi en fonctionnement on a constaté que la température de paroi dans la zone considérée était plus faible de plus de 100°C par rapport à une chambre refroidie selon la technique de l'art antérieur. La réduction des gradients thermiques conduit à une réduction des contraintes thermo mécaniques génératrices de criques situées sur l'enveloppe extérieure du tube à flamme. La durée de vie du composant s'en trouve accrue. Conformément à une autre caractéristique, les seconds orifices sont des microperçages de diamètre compris entre 0,3 et 0,8 mm, de préférence entre 0,3 et 0,6 mm, le nombre de perçages par unité de surface étant déterminé pour obtenir la perméabilité souhaitée. Conformément à une caractéristique particulièrement avantageuse, les microperçages sont inclinés tangentiellement d'un angle compris entre 50° et 70°, de préférence de 60° par rapport à la normale de la paroi. Plus particulièrement et conformément à un second aspect de l'invention les perçages sont inclinés dans le même sens que la giration des gaz engendrée par la rotation du compresseur. Cela a pour effet de créer un film d'air giratoire en proche paroi. Ce film d'air vient protéger du rayonnement de la flamme, l'intérieur de la paroi de l'enveloppe et du déflecteur intérieur. En outre l'inclinaison des perçages a pour effet de doubler l'épaisseur de matière traversée par l'air ce qui augmente d'autant la surface d'échange par convection. L'invention concerne également le moteur à turbine à gaz comportant une chambre de combustion ainsi définie. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicatrice, détaillée, qui suit d'un mode de réalisation non limitatif en référence aux dessins annexés, sur lesquels : La figure 1 est une vue en coupe axiale, schématique, d'un moteur à turbine à gaz sur lequel s'applique l'invention, La figure 2 montre en demi-coupe axiale la chambre de combustion du moteur à turbine à gaz de la figure 1, La figure 3 est une vue agrandie de la zone de formation des films de refroidissement de la virole extérieure de la chambre de la figure 2, La figure 4 est une vue en coupe A-A de la partie centrale de la zone de formation des films de refroidissement, percée de trous conformément à l'invention. En référence à la figure 1, on voit un moteur à turbine à gaz à turbine libre réalisé en deux parties, une première partie comportant l'ensemble des éléments constituant le générateur de gaz et une seconde partie regroupant les éléments constituant la turbine libre et la boîte de transmission principale. La première partie comprend un compresseur 3, représenté ici sous la forme d'un compresseur axialo centrifuge dans lequel l'air pénètre au travers d'une buse d'aspiration 2 et qui rejette l'air comprimé dans une volute de sortie 3'. La volute est disposée en couronne autour du compresseur avec une section continûment croissante pour recueillir cet air comprimé et l'envoyer par l'intermédiaire d'une canalisation amont de transfert 4 dans une chambre de combustion annulaire 10 où il participe à la combustion d'un carburant injecté par un ou plusieurs injecteurs 6. La chambre est contenue dans une enveloppe 5. Les gaz issus de cette combustion sont guidés par le canal 4', de manière à être déviés à 180°, et détendus en premier lieu dans une turbine 7, concentrique par rapport à la chambre de combustion annulaire et reliée au compresseur 3 par un arbre moteur, puis recueillis dans un collecteur annulaire 8 pour passer dans la seconde partie du moteur. Les pièces tournantes du générateur de gaz qui nécessitent une lubrification telles que les roulements et les engrenages sont contenues dans un carter moteur 9. La figure 2 montre en demi-coupe axiale la chambre de combustion seule 10. Celle-ci est formée d'une virole annulaire extérieure 11, d'une virole intérieure annulaire 12 les deux étant reliées par une virole 13 en forme de portion de tore. Cette dernière constitue le dôme dans lequel sont disposés des injecteurs de carburant 14. Ces éléments forment le tube à flamme de forme annulaire d'axe coaxial à celui du moteur. L'air de combustion est admis par des ouvertures pratiquées dans les parois du tube, telles que les ouvertures radiales 11d et 12d dans les viroles annulaires et les ouvertures axiales dans le dôme 13 et les injecteurs 14. Les gaz de combustion produits dans le tube sont guidés en aval par une paroi 17 torique vers la turbine, non visible sur la figure 2. Les parois sont refroidies par des films d'air qui sont générés le long du tube. Le dôme est ainsi refroidi par un film formé par un déflecteur 13a s'étendant axialement sur une partie du dôme à faible distance de la paroi. Le film est alimenté par des perçages multiples, non représentés, de la paroi 13 qui débouchent au droit du déflecteur 13a. L'air est ainsi dévié pour former un film le long de la paroi interne du dôme. Le tube comprend une pluralité d'autres films tels que ceux en aval, 12a et 12b, formés par les déflecteurs 13b, entre le dôme et la virole interne 12. La virole extérieure est refroidie au moyen d'un déflecteur en forme de double languette 16, que l'on voit agrandi, aussi sur la figure 3. Ce déflecteur à double languette est constitué d'une bande métallique annulaire 16 qui a été déformé de manière à prendre en section axiale une forme d'oméga majuscule, dite forme oméga. On distingue une partie centrale 16b soudée à la paroi, avec, ici, une partie rectiligne terminée de part et d'autre par une partie de raccordement incurvée 16b'. Les deux parties de raccordement 16b' se prolongent chacune d'une portion rectiligne, 16a et 16c respectivement, formant languette. Les deux languettes sont parallèles à la virole 11, avec un espacement suffisant pour permettre la formation d'un film d'air le long de la paroi du tube à flamme. Le déflecteur 16 est soudé à la virole 11 le long de sa partie centrale 16b. Selon la technique usuelle, il s'agit d'un soudage à la molette. Des microperçages 11r sont ménagés dans la paroi 11 pour le passage d'air de refroidissement depuis le canal extérieur à la chambre, formé entre la chambre et le carter du moteur. L'air passant par les perçages 11r est dévié par la languette 16a respectivement 16c, dans des directions opposées, et forme deux films de refroidissement de paroi, l'un vers l'amont l'autre vers l'aval. Selon l'art antérieur des orifices sont prévus au travers de l'épaisseur constituée par la partie centrale 16b du déflecteur 16 et la virole 11. Cet air assure l'alimentation de la chambre en air de dilution en aval de la zone de combustion primaire située entre le déflecteur 16 et le dôme, à l'amont. Cependant, on constate avec cette réalisation de l'art antérieur que le refroidissement de la paroi et des languettes 16b et 16c ne permet pas d'éviter une surchauffe locale des pièces. Conformément à un premier aspect de l'invention, on a remplacé, dans la partie centrale du déflecteur, les orifices de relativement gros diamètre par des multiperçages. II s'agit de perçages (16b1) de faible diamètre répartis dans la zone centrale. Le diamètre est compris entre 0,3 et 0,8 mm, de préférence entre 0,3 et 0,5 mm et plus particulièrement dans le cadre d'un exemple de chambre de combustion de perçages de 0,4 mm de diamètre. Les perçages sont répartis régulièrement sur toute la surface de la zone centrale selon un motif formé de rangées, sur la circonférence, perpendiculaires à l'axe de la chambre, l'écartement entre les orifices étant avantageusement compris entre 1 et 10 mm. Par la multiplication des orifices, on a obtenu un refroidissement plus homogène dans cette zone. Le nombre, le diamètre et la répartition des perçages sont déterminés de manière à assurer un débit suffisant d'air de refroidissement et l'évacuation de la chaleur dans la paroi tout en réduisant les gradients thermiques axiaux et longitudinaux. Conformément à un deuxième aspect de l'invention, la protection était encore améliorée avec des perçages inclinés tangentiellement selon un angle compris entre 50 et 70° plus particulièrement de 60°, comme on le voit sur la figure 4, dans le sens de la rotation des gaz produite par le compresseur. On crée ainsi un film de refroidissement proche de la paroi qui la protège des flux chauds. Cette protection accrue résulte d'une amélioration de la répartition des températures sur la circonférence de cette zone centrale. On a procédé à des essais sur une chambre de combustion du type de celui utilisé sur le moteur de la figure 1. La virole extérieure du tube à flamme a une épaisseur de l'ordre de 0,8 mm pour un diamètre de 360 mm. On a percé trois rangées circulaires, chacune de 340 perçages de 0,4 mm de diamètre, de manière à avoir une répartition uniforme de ces derniers. L'inclinaison était de 60°. On a constaté que la température maximale mesurée sur la zone centrale était diminuée de 200°C et que le gradient axial de température était divisé par trois par rapport à une chambre sans inclinaison des perçages. Dans la mesure où la corrosion et la détérioration des parois de la chambre sont essentiellement fonction de la tenue du matériau à la température d'utilisation. La température maximale de la paroi dans cette zone étant plus faible, les incidences liées à la corrosion et l'oxydation sont réduites. Par rapport à la solution avec des multiperçages radiaux, l'inclinaison ne pénalise pas le fonctionnement du moteur en termes de débit et de perte de charge, en particulier la marge au pompage dans tout le domaine de vol est conservée. REVENDICATIONS1) Chambre de combustion (10) de moteur à turbine à gaz comportant une virole annulaire externe (11), percée d'orifices pour l'alimentation en air s de refroidissement de ladite chambre et une bande (16) métallique annulaire à section axiale en oméga formant un déflecteur avec une partie centrale (16b) et deux parties latérales (16a, 16c), la partie centrale étant incurvée vers l'axe de la chambre et les parties latérales étant en forme de languette, ladite bande (16) étant soudée à la paroi interne de la virole externe (11) par sa Zo partie centrale incurvée, des premiers orifices (11r) percés dans la virole (11) débouchant au droit des parties latérales (16a, 16c), caractérisée par le fait que ladite partie centrale soudée (16b) est percée, ensemble avec la virole (11), de seconds orifices (16b1) d'admission d'air de refroidissement, en multiperçages répartis sur la surface de la partie centrale. 15 2) Chambre de combustion selon la revendication précédente dont les seconds orifices (16b1) sont des microperçages de diamètre compris entre 0,3 et 0,8mm, de préférence entre 0,3 et 0,5mm. 3) Chambre de combustion selon la revendication précédente dont les microperçages sont inclinés tangentiellement d'un angle compris entre 50 et 20 70°, de préférence de 60°. 4) Chambre de combustion selon la revendication précédente dont les gaz de combustion circulent avec un sens de giration autour de l'axe moteur, lesdits micro perçages étant inclinés dans le même sens de giration. 5) Moteur à turbine à gaz comportant une chambre de combustion 25 selon l'une des revendications précédentes.