Brevet FR2966910A1 — publié le 20120504

Chambre de combustion de moteur à turbine à gaz avec élément de pa- roi multi-perforé. 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, dans laquelle 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 plu-sieurs roues de turbine entraînant les roues de compresseur. Entre les deux sections, est agencée une chambre de combustion qui reçoit l'air comprimé par la section de compression et mélangé à un carburant, afin de produire, après combustion, des gaz chauds distribués vers les étages de turbine. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un exemple de chambre de combustion 1. Cette dernière comporte des parois annulaires axiales interne 2 et externe 3 formées par des viroles respectivement interne et externe. Les viroles peuvent être simples ou constituées d'une pluralité de viroles soudées les unes aux autres. Les parois annulaires 2 et 3 délimitent entre elles les foyers de combustion en aval d'une cloison transversale 4 formant le fond de chambre. Ce dernier est équipé d'injecteurs de carburant 5. Le carburant est mélangé à une partie du flux d'air issu d'un diffuseur 6 pour-vu de redresseurs fixes 7, qui redressent, dans l'axe de la chambre de com- bustion 1, l'air comprimé par les compresseurs rotatifs de la section de compression. Le mélange air/carburant est ensuite mis en rotation par une vrille 8 du système d'injection de carburant 9, puis est maintenu en combustion dans le foyer de combustion primaire 10 par des bougies 11, disposées en aval des injecteurs 5. Les deux parois annulaires 2 et 3 sont logées à l'intérieur du carter 12 de chambre de combustion 1. Le carter 12 est formé de deux parties 13 et 14, respectivement interne et externe, qui ménagent avec les parois annulaires 2 et 3 des canaux annulaires extérieurs 15 et 16 respectivement. La partie du flux d'air, qui n'a pas été dirigée vers les injecteurs 5, contourne le fond de chambre 4 pour être guidée le long des canaux annulaires 15 et 16 et être admise dans la chambre de combustion 1 le long des parois 2 et 3. Une partie de ce flux d'air est introduite jusque dans la zone 17 de distribution des gaz de combustion dans la turbine (non représentée) immédiatement aval. Les parois 2 et 3 (ou viroles) comprennent des orifices d'admission d'air 2D et 3D par lesquels de l'air est introduit depuis les canaux annulaires extérieurs 15 et 16, jusque dans la zone interne de combustion. Les orifices d'admission d'air 2D et 3D sont de dimensions suffisantes pour alimenter en air la chambre 1 et diluer les gaz de combustion, afin notamment d'en contrôler la température. Par la demande de brevet FR-0953684 (dont la Demanderesse est titulaire), comme le montre la figure 2, il est connu de pratiquer une multitude d'orifices 18 (également désignés multi-perforations) dans les parois annulaires 2 et 3 de la chambre de combustion 1. Les orifices 18, de faible diamètre, ont pour fonction principale de maintenir les parois 2 et 3 à une température opérationnelle acceptable pour le matériau qui les constitue. Les orifices 18 permettent, par l'air qui les traverse, la formation d'un film d'air le long de la surface interne des parois 2 et 3, dans le but de les refroidir. Ce film d'air est formé en amont par de l'air guidé depuis le fond de chambre 4 grâce à des déflecteurs appropriés. Plus précisément, les orifices 18 sont disposés en réseau selon un motif géométrique à maille carrée, de manière à maintenir et à entretenir le film d'air formé et ses propriétés d'isolant thermique. Les paramètres définissant le motif géométrique sont le pas circonférentiel Pc et le pas axial Pa. Comme le représente la figure 2, les orifices 18 sont disposés selon des alignements axiaux, parallèles à l'axe D de la chambre 1, formant les côtés de la maille carrée. Le pas axial Pa est constant sur au moins une partie des parois 2 et 3. Les alignements axiaux sont équi-angulairement espacés les uns des autres selon le pas circonférentiel Pc. Les deux pas Pc et Pa du réseau à maille carrée sont égaux. Les pas Pc et Pa, ainsi que le diamètre des orifices 18, sont fixés en fonction de la perméabilité à l'air que l'on souhaite conférer aux parois annu- laires 2 et 3. Les orifices 18 sont, de préférence, de section transversale circulaire et peuvent présenter un évasement à leurs extrémités. Leur diamètre est compris entre 0,3 et 0,8mm, de préférence entre 0,4 et 0,7 mm. Ils sont en outre inclinés, vers l'aval de la chambre 1, d'un angle a défini par rapport à un axe Z localement orthogonal à la paroi annulaire 2, 3. L'angle a est compris entre 45° et 60°. En outre, les orifices 18 sont également inclinés, tangentiellement par rapport à l'axe longitudinal D, d'un angle R égal à 45°. Ainsi, le flux d'air de refroidissement, sortant d'un orifice amont 18a, est orienté en direction de l'orifice adjacent 18b immédiatement en aval sur la diagonale de la maille car- rée comportant ces deux orifices 18a et 18b. La longueur des orifices 18 traversant les parois 2 et 3 permet d'obtenir des échanges thermiques importants entre l'air circulant à l'intérieur des orifices 18 et les parois 2 et 3. En outre, l'inclinaison R et la répartition en réseau à maille carrée des orifices 18 permettent au flux d'air issu d'un orifice 18a d'être régénéré par le flux d'air issu de l'orifice aval 18b situé à l'opposé de la diagonale de la maille carré. Autrement dit, 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, en provenance des canaux extérieurs 15 et 16. La présente invention a pour objet d'améliorer le refroidissement de la ou des parois d'une chambre de combustion du type précité et, notamment, de réduire le gradient thermique existant entre l'amont et l'aval des parois de cette dernière et susceptible de provoquer des déformations et/ou criques réduisant la durée de vie de ladite chambre. A cette fin, selon l'invention, la chambre de combustion de moteur à turbine à gaz comprenant au moins une paroi annulaire autour d'un axe D, qui délimite au moins en partie la chambre de combustion et qui comporte, sur au moins une partie, des premiers orifices la traversant qui sont inclinés, vers l'aval de la chambre, d'un angle al défini par rapport à un axe localement or- thogonal à la paroi, lesdits premiers orifices étant disposés en réseau, est remarquable par le fait : qu'elle comporte au moins un écran interne de protection thermique, fixé à la paroi annulaire de telle façon que de l'air de refroidissement puisse traverser lesdits premiers orifices pour venir percuter la face de l'écran interne en regard de la paroi et s'écouler le long dudit écran ; et que l'écran interne comporte des seconds orifices, disposés en réseau, qui traversent l'écran et qui sont inclinés, vers l'aval de la chambre, d'un angle défini par rapport à un axe localement orthogonal à la paroi annulaire, afin de permettre le passage d'air de refroidissement provenant des premiers orifices. Ainsi, grâce à l'invention, de l'air de refroidissement, en traversant les premiers orifices, va refroidir la ou les parois annulaires de la chambre de combustion, puis heurter la face de l'écran thermique en vis-à-vis pour ensuite s'écouler le long de ce dernier, vers l'aval de la chambre, jusqu'à ce qu'il rencontre les seconds orifices. L'impact de l'air de refroidissement sur l'écran thermique assure un refroidissement de celui-ci, au moins localement au ni-veau du point d'impact. En outre, la traversée des seconds orifices par l'air de refroidissement entraîne un nouvel échange thermique entre l'air de refroidissement qui circule à l'intérieur desdits seconds orifices et l'écran thermique. Il se forme également un film d'air qui vient lécher la face interne de l'écran thermique, orientée vers la zone interne de combustion, ce qui améliore le refroidissement dudit écran. En assurant un refroidissement efficace des écrans thermiques protégeant les parois annulaires de la chambre, on prévient toute apparition d'un gradient thermique important entre l'amont et l'aval des parois. De façon avantageuse, au moins une partie desdits premiers orifices est disposée selon un premier réseau à maille rectangulaire, de préférence carrée, dont un côté de la maille est parallèle à l'axe D ; et au moins une partie desdits seconds orifices est disposée selon un second réseau à maille rec- tangulaire, de préférence carrée, dont un côté de la maille est parallèle à l'axe D. En outre, de préférence : - le pas circonférentiel et le pas axial du premier réseau sont identiques respectivement au pas circonférentiel et au pas axial du second réseau ; - et chaque orifice du premier réseau est agencé, au moins approximative-ment, en regard du centre de la maille du second réseau. De plus, avantageusement, l'angle al des premiers orifices est défini de telle manière que l'air de refroidissement, qui les traverse, percute l'écran interne dans un voisinage du centre de la maille rectangulaire correspondante 15 du second réseau. Ainsi, le flux d'air frais sortant de chaque premier orifice du premier ré-seau va venir percuter le centre de la maille correspondante du second ré-seau en regard et ainsi refroidir, directement et efficacement, l'écran thermique au point d'impact. 20 De plus, l'angle a2 des seconds orifices est défini de telle manière que le film formé par le flux d'air issu de celui-ci soit régénéré par l'air issu du second orifice aval adjacent, situé à l'opposé sur la diagonale de la maille correspondante. De préférence, l'angle al est avantageusement compris entre 20° et 25 40°. Quant à l'angle a2, il est de préférence compris entre 60° et 70°. Selon une autre caractéristique avantageuse, les premiers et seconds orifices sont inclinés, tangentiellement par rapport à l'axe D, respectivement d'un angle pi et d'un angle R2 . Ainsi, les vortex à la sortie du système d'injection engendrent une rota- 30 tion hélicoïdale du mélange air-carburant qui contribue au maintien du film d'air sur la face interne de l'écran thermique. En effet, de par l'inclinaison Rz des seconds orifices, l'orientation de l'écoulement du flux d'air se rapproche de celle du mélange air-carburant, permettant ainsi le maintien du film d'air sur la face interne de l'écran. De plus, l'orientation tangentielle des seconds orifices permet de pré- venir le décollage du film d'air, qui est soumis à l'effet centrifuge. De préférence, les angles pi et Rz sont égaux à 45°. Par ailleurs, la ou les parois annulaires peuvent être curvilignes ou étagées. De plus, le nombre d'écrans internes de protection thermique est de préférence égal au nombre de système d'injection en mélange carburé. En outre, le bord aval des écrans internes de protection thermique peut être chanfreiné. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques dési- gnent des éléments semblables. La figure 1 représente schématiquement une chambre de combustion connue de moteur de turbine à gaz. La figure 2 montre un exemple connu d'agencement en réseau des multi-perforations d'une paroi annulaire de la chambre de combustion de la figure 1. La figure 3 montre, dans une coupe schématique, la forme d'un orifice du réseau de la figure 2, selon la ligne III-III. La figure 4 est une coupe longitudinale partielle d'une paroi annulaire pourvue d'un écran thermique, conformément à la présente invention. La figure 5 représente partiellement l'écran thermique, selon le plan de coupe V-V de la figure 4. La figure 6 est un agrandissement schématique de la loupe A de la figure 4. La figure 7 représente une variante d'agencement des orifices de la paroi annulaire et de l'écran thermique de la figure 4, conformément à la pré-sente invention. La figure 8 est semblable à la figure 4, excepté par le fait que la paroi annulaire est désormais étagée. Sur la figure 4, on a représenté, de façon schématique, un exemple de paroi 19, interne ou externe, d'une chambre de combustion d'un moteur à turbine. La chambre de combustion peut être du type de celle représentée sur la figure 1, dans laquelle les parois sont annulaires, d'axe D. Cet axe longitudinal D peut être celui du moteur. Les gaz circulent globalement dans la direction de l'axe D. La paroi annulaire 19 est formée soit d'une virole simple, soit d'une pluralité de viroles soudées les unes aux autres. Comme le montrent les figures 4 à 6, la paroi annulaire 19 comporte des premiers orifices 20 qui la traversent et qui sont inclinés, vers l'aval de la chambre, d'un angle al défini par rapport à un axe Z1 localement orthogonal à la paroi 19. Les premiers orifices 20 (encore désignés orifices d'impact) sont disposés en réseau (voir notamment la figure 5). Selon l'invention, à la paroi annulaire 19, est fixé au moins un écran interne de protection thermique 21, de telle façon que de l'air de refroidisse-ment puisse traverser les premiers orifices 20 pour venir percuter la face 21R de l'écran 21 en regard de la paroi 19 et s'écouler le long dudit écran 21. Un ou plusieurs écrous 23, freinés en rotation par un cordon de soudure, assurent la fixation de l'écran 21 à la paroi 19. L'écran 21 comporte des seconds orifices 22 (encore appelés orifices de multi-perforation), disposés en réseau, qui traversent l'écran 21 et qui sont inclinés, vers l'aval de la chambre, d'un angle a2 défini par rapport à un axe Z2 localement orthogonal à la paroi annulaire 19, afin de permettre le passage d'air de refroidissement provenant des premiers orifices 20. 2966910 s Les premiers orifices 20 (respectivement les seconds orifices 22) sont disposés selon un premier réseau (respectivement un second réseau) à maille géométrique rectangulaire, dont un côté de la maille est parallèle à l'axe D. Autrement dit, les premiers et seconds orifices 20 et 22 sont agencés selon 5 des alignements L1 et L2, formant les côtés de la maille correspondante, parallèles à l'axe D. Les alignements L1, L2 sont équi-angulairement espacés les uns des autres selon un pas circonférentiel Pc1, Pc2. Quel que soit le réseau considéré (premier ou second), le pas axial 10 Pal, Pa2 est constant au moins sur une partie de la paroi 19 ou de l'écran 21 associé. Le pas circonférentiel Pc1 et le pas axial Pal du premier réseau sont identiques respectivement au pas circonférentiel Pc2 et au pas axial Pa2 du second réseau. Autrement dit, chaque alignement L1 de premiers orifices 20 15 est disposé entre deux alignements L2 de seconds orifices 22 et séparé de ces derniers d'un pas circonférentiel égal à Pc1/2 (ou Pc2/2). De plus, comme le montrent les figures 5 et 6, les premiers orifices 20 de la paroi 19 sont disposés de telle façon à être en regard du centre 1 de la maille correspondante du second réseau. 20 Ainsi, lorsque l'angle al associé aux premiers orifices 20 est compris entre 20° et 40°, l'air de refroidissement, qui les traverse, percute l'écran in-terne 21 dans un voisinage du centre 1 de la maille rectangulaire associée du second réseau. De plus, l'angle a2 des seconds orifices 22 est défini de telle manière 25 que le film formé par le flux d'air issu de celui-ci soit régénéré par l'air issu du second orifice aval adjacent, situé à l'opposé sur la diagonale de la maille associée. Pour cela, on choisit avantageusement a2 entre 60° et 70°. En outre, la longueur des seconds orifices 22 est choisie de telle façon que les échanges thermiques entre l'air circulant à l'intérieur desdits orifices 22 et l'écran 21 soient importants. Par ailleurs, les premiers et seconds orifices 20 et 22 sont inclinés, tangentiellement par rapport à l'axe D, respectivement d'un angle pi et d'un an- gle R2. Dans l'exemple des figures 4 à 6, pi et R2 sont avantageusement égaux à 45°. Les premiers orifices 20 et les seconds orifices 22, qui peuvent présentés un évasement à leurs extrémités, sont de préférence de section circulaire identique, de diamètre compris entre 0,3 et 0,7mm. Il va de soi que la section des premiers orifices pourrait être différente (en forme et en dimension) de celle des seconds orifices 22. Les pas Pc1, Pc2, Pal et Pa2, ainsi que le diamètre des orifices 20 et 22, sont avantageusement déterminés en fonction de la perméabilité à l'air que l'on souhaite conférer à la paroi annulaire 19 et à l'écran interne 21. Désormais, si l'on considère la figure 6, on constate que de l'air de refroidissement (symbolisé par la flèche F1), issu des canaux annulaires exté- rieurs de la chambre de combustion, traverse un premier orifice 20 pour venir percuter l'écran 21 dans un voisinage du centre 1 de la maille du second ré-seau en regard entraînant un refroidissement local de l'écran. Au moins une partie du flux d'air F1 traverse ensuite le second orifice 22b pour, en sortie, régénérer le flux d'air (symbolisé par la flèche F2) provenant du second orifice 22a situé immédiatement en amont, selon la diagonale de la maille rectangu- laire. Ainsi, grâce à l'invention, on obtient de façon concomitante : un refroidissement de la paroi 19, d'une part, par l'écoulement, le long de cette dernière, d'un flux d'air de refroidissement F1 provenant des canaux annulaires extérieurs et, d'autre part, par la traversée des premiers orifices 20 par cet écoulement d'air de refroidissement F1; et un refroidissement de l'écran 21, par l'impact du flux d'air F1 à sa sortie des premiers orifices 20, par son écoulement le long de la face 21R de l'écran 21, par sa traversée des seconds orifices 22 et, enfin, par la formation d'un film d'air sur la face interne 211 de l'écran 21 qui est régénéré au niveau des seconds orifices 22 immédiatement adjacents en aval selon la direction de l'écoulement. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 7, les premiers et seconds réseaux sont à maille carrée identique. Autrement dit, les pas cir- e conférentiels et axiaux Pc1, Pc2, Pal et Pa2 des premier et second réseaux à maille carrée sont deux à deux égaux. Par ailleurs, dans la variante de réalisation représentée en figure 8, la paroi annulaire 19v est identique à celle décrite en référence avec les figures 4 à 7, à l'exception du fait qu'elle est désormais étagée, et non plus curviligne. 10 Elle comporte en outre plusieurs écrans thermiques 21v semblables à celui fixée sur la paroi 19. Le bord aval des écrans 21v est chanfreiné, pour éviter tout décollement du film d'air de refroidissement de la face interne de ces derniers. REVENDICATIONS1. Chambre de combustion de moteur à turbine à gaz comprenant au moins une paroi annulaire (19, 19v) autour d'un axe D, qui délimite au moins en partie la chambre de combustion (1) et qui comporte, sur au moins une partie, des premiers orifices (20) la traversant qui sont inclinés, vers l'aval de la chambre (1), d'un angle al défini par rapport à un axe (Z1) localement or- thogonal à la paroi (19, 19v), lesdits premiers orifices (20) étant disposés en réseau, caractérisée par le fait : qu'elle comporte au moins un écran interne de protection thermique (21, 21v), fixé à la paroi annulaire de telle façon que de l'air de refroidissement puisse traverser lesdits premiers orifices (20) pour venir percuter la face (21R) de l'écran interne en regard de la paroi et s'écouler le long dudit écran ; et que l'écran interne (21, 21v) comporte des seconds orifices (22), disposés en réseau, qui traversent l'écran interne et qui sont inclinés, vers l'aval de la chambre (1), d'un angle a2 défini par rapport à un axe (Z2) localement orthogonal à la paroi annulaire, afin de permettre le passage d'air de refroidissement provenant des premiers orifices (20). 2. Chambre de combustion selon la revendication précédente, dans la- quelle : - au moins une partie desdits premiers orifices (20) est disposée selon un premier réseau à maille rectangulaire, de préférence carrée, dont un côté de la maille est parallèle à l'axe D ; et - au moins une partie desdits seconds orifices (22) est disposée selon un second réseau à maille rectangulaire, de préférence carrée, dont un côté de la maille est parallèle à l'axe D. 3. Chambre de combustion selon la revendication précédente, dans laquelle :- le pas circonférentiel (Pc1) et le pas axial (Pal) du premier réseau sont identiques respectivement au pas circonférentiel (Pc2) et au pas axial (Pa2) du second réseau ; et - chaque orifice (20) du premier réseau est agencé, au moins approximati- vement, en regard du centre (1) de la maille du second réseau. 4. Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'angle al des premiers orifices (20) est défini de telle manière que l'air de refroidissement, qui les traverse, percute l'écran interne (21, 21v) dans un voisinage du centre (1) de la maille rectangulaire correspondante du 10 second réseau. 5. Chambre de combustion selon la revendication précédente, dans la-quelle l'angle al est compris entre 20° et 40°. 6. Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle 1'anglea2 des seconds orifices (22) est défini de telle manière 15 que le film formé par le flux d'air issu de celui-ci soit régénéré par l'air issu du second orifice (22) aval adjacent, situé à l'opposé sur la diagonale de la maille correspondante. 7. Chambre de combustion selon la revendication précédente, dans la-quelle l'angle a2 est compris entre 60° et 70°. 20 8. Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les premiers et seconds orifices sont inclinés, tangentiellement par rapport à l'axe D, respectivement d'un angle pi et d'un angle R2 . 9. Chambre de combustion selon la revendication précédente, dans la-quelle les angles pi et I3, sont égaux à 45°. 25 10 Moteur à turbine à gaz comportant une chambre de combustion se- lon l'une des revendications précédentes.