Brevet FR2946413A1 — publié le 20101210

La présente invention porte sur une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz et plus particulièrement sur le refroidissement de ses parois axiales. Un moteur à turbine à gaz comprend une section de compression où l'air admis dans le moteur est comprimé par une ou plusieurs roues de compresseur et une section de détente des gaz comprenant une ou plusieurs roues de turbine entraînant les roues de compresseur. Entre les deux sections une chambre de combustion reçoit l'air comprimé de la section de compression qui est mélangé à un carburant pour produire des gaz chauds qui sont distribués vers les étages de turbine. Un exemple de chambre de combustion 1 est représenté sur la figure 1. Elle est globalement composée de viroles formant des parois annulaires axiales ; l'une des parois est radialement interne 3, l'autre radialement externe 5 par rapport à cette dernière. Elles délimitent entre elle les foyers de combustion en aval d'une cloison transversale 7 formant le fond de chambre. Le fond de chambre est équipé d'injecteurs de carburant 9. Le carburant est mélangé à une partie du flux d'air issu du diffuseur comprenant des redresseurs fixes 15 qui redressent dans l'axe de la chambre de combustion, l'air comprimé par les compresseurs rotatifs. En entrée dans le système d'injection de carburant, il est mis en rotation par une vrille 11. Le mélange air / carburant est maintenu en combustion dans le foyer de combustion primaire par des bougies 13 disposées en aval des injecteurs. Les deux parois annulaires sont logées à l'intérieur du carter de chambre de combustion, carter interne 17 et carter externe 19 respectivement, et ménagent avec les parois de ce dernier des canaux annulaires, 18 et 20 respectivement. La partie du flux d'air qui n'a pas été dirigée vers les injecteurs contourne le fond de chambre et est guidée le long des canaux annulaires pour être admise dans la chambre le long des parois axiales. Une partie de cet air est introduite jusque dans la zone de distribution 21 des gaz de combustion dans la turbine immédiatement aval, non représentée sur la figure. Les viroles constituant ces parois comprennent ainsi des orifices par lesquels l'air est introduit depuis l'espace annulaire extérieur, 18 et 20, jusque dans la zone interne de combustion. On distingue les orifices d'admission d'air primaire ou de dilution 3D et 5D de dimension suffisante pour alimenter en air la chambre et diluer les gaz de combustion afin d'en contrôler la température et les multiperforations. Les multi-perforations sont formées d'orifices de petits diamètres dont la fonction est essentiellement de maintenir les parois à une température opérationnelle acceptable pour le matériau qui les constitue. Selon la technique actuelle, les parois sont formées à partir d'une simple virole métallique ou d'une pluralité de viroles soudées les unes aux autres et on refroidit les parois de chambre en assurant le maintien d'un film d'air le long de la surface interne des parois. Ce film est formé en amont par de l'air guidé depuis le fond de chambre par des déflecteurs appropriés. Dans le but d'entretenir le film et ses propriétés d'isolant thermique, l'air est admis par une multitude d'orifices de faible diamètre selon un maillage déterminé et que l'on désigne multi-perforation. Ces orifices pour les chambres de combustion et plus généralement les chemises de protection thermique dans les turboréacteurs, ont un diamètre qui est compris entre 0,3 et 0,8 mm et plus précisément entre 0,4 et 0,7. Pour une perméabilité de refroidissement optimisée, les orifices sont répartis en réseau le long des viroles selon un motif géométrique tel que celui représenté sur la figure 2. Il s'agit par exemple des orifices de multi-perforation 5r ménagés dans la paroi externe 5 de la chambre de combustion. Ils sont disposés en réseau avec une succession de rangées N1, N2, N3, N4, N5 etc. perpendiculaires à l'axe D de la chambre de combustion. Les rangées successives sont en quinconce ; ainsi chaque rangée paire N2, N4 ... est décalée d'un demi-pas circonférentiel Pc par rapport aux rangées d'ordre impair, N1, N3, N5... Les paramètres définissant le motif sont le pas circonférentiel Pc et le pas axial Pa. Ces paramètres sont déterminés en fonction de la perméabilité à obtenir. La maille triangulaire est ainsi plus ou moins resserrée selon le besoin en refroidissement dans les différentes zones de la paroi. Le pas circonférentiel Pc est ici le même pour chaque rangée. Le pas axial est ici constant d'une rangée à l'autre. En outre le rapport entre les deux pas est choisi pour avoir une maille triangulaire équilatérale. Une maille triangulaire équilatérale constitue un bon compromis entre la recherche d'un refroidissement homogène sur la circonférence et d'un niveau de contraintes limité pour une bonne tenue mécanique. Les orifices 5r sont percés conformément à l'enseignement de l'art antérieur dans la paroi en étant inclinés sur l'axe D de la chambre de combustion. L'angle incident a mesuré par rapport à l'axe z perpendiculaire à l'axe D est compris généralement entre 45° et 60°. Selon ce motif, l'efficacité de refroidissement est régénérée une rangée sur deux. Cela signifie que l'efficacité de refroidissement de la paroi par exemple effectué par l'air admis par les orifices 5r de la rangée N1 diminue progressivement, avec son augmentation de température le long de la génératrice parallèle à l'axe D vers l'aval jusqu'à ce que l'air admis par l'orifice situé immédiatement en aval sur cette génératrice, à l'intersection de cette génératrice avec la rangée N3, vienne régénérer la capacité d'absorption des calories par le film d'air. Le déposant s'est fixé comme objectif d'améliorer le refroidissement de la paroi dans le but d'autoriser une augmentation de la température des gaz de combustion. Le déposant s'est fixé également comme objectif d'assurer une bonne répartition du refroidissement le long des parois de la chambre tout en maintenant les contraintes génératrices de criques à un faible niveau.25 On parvient à réaliser ces objectifs, conformément à l'invention, avec une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz ou autre chemise de protection thermique dudit moteur comprenant au moins un élément de paroi annulaire autour d'un axe D, délimitant au moins partiellement ladite chambre et présentant une multi-perforation constituée d'orifices de multi-perforation traversant l'élément de paroi inclinés d'un angle a sur ledit axe D vers l'aval de la chambre pour le passage d'air de refroidissement le long de la surface interne de l'élément de paroi, les orifices étant disposés en réseau, caractérisée par le fait qu' au moins une partie desdits orifices est disposée en réseau à maille rectangulaire ou carrée avec un côté de la maille parallèle à l'axe D et les orifices sont inclinés également tangentiellement d'un angle [3, l'angle [3 étant choisi de manière à ce que le flux d'air issu d'un orifice soit régénéré par l'air issu de l'orifice aval situé à l'opposé sur la diagonale de la 15 maille. Par la disposition des orifices selon l'invention, on augmente la longueur des perçages traversant l'élément de paroi par rapport à la solution à orientation simplement axiale. On augmente ainsi les surfaces d'échange dans les orifices de 20 multi-perforation et on accroît de ce fait les échanges thermiques entre l'air circulant à l'intérieur des perçages et la paroi et on en améliore le refroidissement. En outre en combinant maille carrée ou rectangulaire et orientation appropriée des perçages on assure une régénération optimale combinée à un réseau de perçages 25 n'affectant pas la tenue mécanique. Le film d'air est régénéré le long de la direction de l'écoulement du flux d'air de refroidissement quand il reçoit un flux d'air frais, issu du canal extérieur à la chambre. Conformément à une autre caractéristique, l'angle (3 d'inclinaison tangentielle est de 45°. On permet ainsi de conserver le long de la droite D reliant deux orifices adjacents vers l'aval une distance optimale pour la régénération du film d'air. Conformément à un mode de réalisation préféré, le réseau est à maille carrée. Selon une variante de réalisation le réseau est à maille rectangulaire, le réseau présentant un pas circonférentiel Pc et un pas axial Pa, et le rapport Pa / Pc est choisi de manière à ce que le décalage k entre deux orifices adjacents dans la direction d'angle béta par rapport à l'axe D de la chambre reste inférieur ou égal au diamètre des orifices. Conformément à une autre caractéristique, le diamètre des orifices est compris entre 0,3 et 0,8 mm, de préférence entre 0,4 et 0,7 mm. Conformément à une autre caractéristique, la chambre de combustion comprenant des orifices de dilution, lesdits orifices de dilution sont de forme rectangulaire ou carrée. Avantageusement les bords desdits orifices de dilution sont parallèles respectivement perpendiculaires au plan passant par les orifices de mufti- perforation adjacents en amont et en aval. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - La figure 1 représente une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz conventionnelle, - La figure 2 représente l'agencement en réseau des multi-perforations des parois annulaires de la chambre de combustion de la figure 1, selon l'état de la technique, - La figure 3 montre en coupe la forme d'un perçage de mufti- perforation selon la ligne III-III de la figure 2, - La figure 4 représente un exemple d'agencement en réseau des multiperforations d'un élément de paroi annulaire d'une chambre de combustion, selon l'invention, - La figure 5 représente en coupe selon V-V les perçages de la figure 4, - La figure 6 représente une variante d'agencement des multiperforations des parois annulaires d'une chambre de combustion selon l'invention, - La figure 7 montre un élément de paroi avec un orifice d'admission d'air primaire ou de dilution selon l'invention. La figure 4 représente, vue de dessus, un élément de paroi 15 d'une chambre de combustion d'un moteur à turbine. Il peut s'agir d'une chambre du type de celle représentée à la figure 1 où les parois sont annulaires, d'axe D. Cet axe peut être celui du moteur comme dans la représentation de la figure 1. Elles sont formées généralement de viroles en tôle soudées les unes aux autres. Les gaz circulent globalement dans la direction D Les multi-perforations peuvent être aménagées le long de la paroi externe de la chambre de combustion ainsi que le long de la paroi interne. Il peut s'agir aussi d'une chemise de protection thermique telle que dans une 25 chambre de post combustion. Les orifices 15r sont disposés en réseau selon un motif géométrique à maille carrée. Les orifices sont disposés selon des alignements, formant les côtés de la maille, parallèles à l'axe D. Le pas axial Pa est constant sur au moins une partie 30 d'un élément de paroi. Les alignements sont espacés les uns des autres dans le sens circonférentiel selon un pas circonférentiel Pc. Les deux pas dans un réseau à maille carrée sont égaux. Le pas ainsi que le diamètre des trous sont fixés en fonction de la perméabilité que l'on souhaite conférer à la paroi. Les orifices sont de préférence de section circulaire. Ils peuventprésenter un évasement. Leur diamètre est compris entre 0,3 et 0,8 mm plus particulièrement entre 0,4 et 0,7 mm. Conformément à l'invention ils sont inclinés d'un angle a sur la direction D. Cet angle, mesuré par rapport à la perpendiculaire à la direction D, est compris entre 45° et 60°. Ils sont également inclinés tangentiellement d'un angle [3 qui de manière optimale est de 45°. Ainsi le flux d'air sortant de l'orifice 15r1 est-il orienté en direction de l'orifice 15r2 qui est immédiatement en aval sur la diagonale de la maille carrée comprenant les deux orifices. Ainsi comme dans la solution optimale de l'art antérieur, le film d'air est régénéré une rangée sur deux. Les orifices bien que non équidistants se rapprochent de l'agencement optimal. L'invention permet d'allonger les perçages d'un coefficient -V2 Une variante de réalisation comprend une maille rectangulaire. Cette variante est illustrée par la figure 6. On retrouve les mêmes perçages que dans la solution précédente mais disposés selon un réseau à maille rectangulaire. Les orifices 15'r sont alignés selon l'axe D de la chambre avec un pas P'a tandis que les alignements sont espacés les uns des autres d'un pas P'c. Le rapport P'a/P'c est choisi de telle manière que la direction des perçages ne soit décalée par rapport à l'orifice immédiatement aval que d'une valeur k de préférence inférieure au diamètre des orifices. Sur la figure l'orifice 15'rl est décalé d'une valeur k par rapport à l'orifice 15'r2 immédiatement aval dans la direction de l'écoulement du flux issu des orifices. Cette valeur k doit être de préférence au plus égale au diamètre de l'orifice. On a représenté sur la figure 7, la répartition des orifices de multi-perforation 5rl 30 dans la zone de l'élément de paroi de chambre qui comprend un orifice d'admission d'air primaire ou de dilution 5P. L'air primaire participe à la combustion du carburant introduit dans la chambre par les injecteurs amont. Les orifices d'entrée d'air de dilution sont ménagés dans la paroi plus en aval que les orifices d'air primaire. Leur ouverture est déterminée pour permettre une admission d'air suffisante. Comme on le voit sur la figure 7, un orifice 5P est avantageusement de forme carrée où rectangulaire, avec éventuellement les angles arrondis pour éviter les concentrations de contraintes. Les bords de ces orifices 5P sont parallèles à la direction des flux d'air issus des orifices de multi-perforation adjacents. De préférence la distance y entre les orifices adjacents : 5r1, 5r2, 5r3, 5r4 et les bords de l'orifice 5P est la même sur les quatre côtés. De cette façon, on équilibre le film d'air circulant sur la face intérieure de l'élément de paroi. Revendications1. Chambre de combustion de moteur à turbine à gaz ou autre chemise de protection thermique comprenant au moins un élément de paroi annulaire autour d'un axe D, délimitant au moins partiellement ladite chambre et présentant une multi-perforation constituée d'orifices de multi-perforation, traversant l'élément de paroi, inclinés d'un angle a sur ledit axe D vers l'aval de la chambre pour le passage d'air de refroidissement le long de la surface interne de l'élément de paroi, les orifices étant disposés en réseau, caractérisée par le fait qu' Au moins une partie desdits orifices de multi-perforation (15r, 15'r) est disposée en réseau à maille rectangulaire ou carrée avec un côté de la maille parallèle à l'axe D et Les orifices de multi-perforation (15r, 15'r) sont inclinés également tangentiellement d'un angle p, L'angle (3 étant choisi de manière à ce que le film formé par le flux d'air issu d'un orifice (15r1) soit régénéré par l'air issu de l'orifice (15r2) aval, situé à l'opposé sur la diagonale de la maille. 2. Chambre selon la revendication précédente dont l'angle (3 d'inclinaison tangentielle est de 45°. 3. Chambre de combustion selon la revendication 2 dont le réseau est à maille carrée. 4. Chambre de combustion selon la revendication 2 dont le réseau est à maille rectangulaire (15'r) et le rapport du pas axial (Pa) sur le pas circonférentiel (Pc) est choisi de manière à ce que le décalage k entre deux orifices adjacents (15'rl et 15'r2) dans la direction d'angle (3 par rapport à l'axe D25de la chambre de combustion reste inférieur ou égal au diamètre desdits orifices (15'r). 5. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 4 dont le diamètre des orifices (15r, 15'r) est compris entre 0,3 et 0,8 mm, de préférence entre 0,4 et 0,7 mm 6. Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes comprenant des orifices primaire ou de dilution (5P), lesdits orifices de w dilution étant de forme rectangulaire ou carrée 7. Chambre de combustion selon la revendication précédente dont les bords desdits orifices de dilution (5P) sont parallèles respectivement perpendiculaires au plan passant par les orifices (5r) de multi-perforation 15 qui leur sont adjacents