Brevet FR2979139A1 — publié le 20130222

Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et plus particulièrement des turboréacteurs ou turbomoteurs aéronautiques. Les turbomachines comprennent classiquement un ou plusieurs compresseurs, une chambre de combustion annulaire entourant un ou plusieurs arbres moteurs et une ou plusieurs turbines qui entraînent le ou les compresseurs par l'intermédiaire du ou des arbres moteurs. Les compresseurs utilisés peuvent être de deux types, des compresseurs axiaux dont la direction d'entrée et la direction de sortie de l'air à comprimer sont alignées avec l'axe de rotation du moteur, et des compresseurs centrifuges dont la direction d'entrée de l'air est alignée avec l'axe de rotation mais dont la direction de sortie est radiale, c'est-à-dire perpendiculaire à cet axe. Dans la suite de la description les termes axial ou radial se rapportent à l'axe de rotation de la turbomachine, les termes amont et aval se rapportent au sens de circulation des gaz dans la turbomachine et enfin les termes extérieur ou intérieur correspondent à un éloignement radial plus ou moins grand par rapport à cet axe. Par ailleurs les termes axe ou direction quand ils se rapportent à la chambre de combustion seule désignent la direction de l'axe central de la section de cette chambre par un demi-plan passant par l'axe de rotation de la turbomachine. Les termes chambre cylindrique ou chambre conique indiquent ainsi que la direction de l'axe central de cette section de la chambre est soit parallèle soit sécant avec l'axe de rotation de la turbomachine. La présente invention porte sur les turbomachines qui présentent un compresseur dont le dernier étage est centrifuge. Il est alors nécessaire de redresser le flux d'air sortant de ce compresseur pour l'amener en direction de l'entrée dans la chambre de combustion. Ce redressement est généralement effectué par l'intermédiaire d'un diffuseur annulaire qui est orienté, tout d'abord, radialement dans l'axe de la sortie du compresseur centrifuge, et ensuite, qui comporte un coude pour amener l'air dans une direction sensiblement orientée vers la chambre combustion. De façon courante sur ces turbomachines, le sens d'écoulement des gaz dans la chambre de combustion est orienté, soit vers l'avant du moteur (la chambre est dite inversée), soit vers l'arrière (la chambre est alors dite non inversée). La sortie du diffuseur est, dans le premier cas, orientée dans l'axe du moteur et placée à l'extérieur, au dessus de la chambre de combustion ; dans le second cas, comme décrit dans la demande de brevet de la demanderesse FR2920032, elle est orientée vers l'entrée de la chambre de combustion, de façon sécante à l'axe du moteur. Dans le cas des chambres non-inversées, les concepteurs de turbomachines ont en général placé un coude en sortie du diffuseur et orienté ces chambres de façon que leur axe soit incliné en direction de l'axe de rotation du moteur. Cette configuration, qui crée un empilement du diffuseur puis de la chambre le long de l'axe de rotation de la turbomachine, a pour inconvénient de laisser une zone morte en amont de la chambre de combustion qui correspond à la longueur axiale de la partie coudée du diffuseur. Ceci a pour effet d'augmenter la longueur axiale de la machine et donc d'augmenter sa masse. Par ailleurs le choix d'une chambre de combustion non-inversée cylindrique qui serait placée sous la sortie du diffuseur aurait pour inconvénient d'éloigner radialement le point de sortie du diffuseur du point d'entrée de l'air dans la chambre et d'induire un risque d'augmentation des pertes de charge entre la sortie du diffuseur et l'entrée dans la chambre. Il nécessiterait également un plus grand diamètre pour le diffuseur, ce qui augmenterait la masse globale du moteur. Cet inconvénient n'existe pas dans le cas des chambres inversées, le diffuseur pouvant être disposé au dessus de la chambre de combustion, au niveau de son début de retournement. Il n'y a alors pas d'empilement successif du diffuseur et de la chambre le long de l'axe du moteur et donc une longueur axiale plus réduite que dans le cas d'une chambre non inversée conique. Toutefois, pour des raisons de réalisation industrielle, il est plus simple de choisir la chambre de combustion avec un axe orienté selon l'axe du moteur et de lui donner une forme cylindrique. C'est donc la configuration qui est retenue systématiquement dans l'art antérieur pour les chambres inversées. Cependant cette configuration oblige l'air à effecteur un parcours en S, avec deux retournements à 180°, un entre la sortie du diffuseur et l'entrée dans la chambre de combustion et un second à l'intérieur de la chambre. Le premier retournement à 180° nécessite une certaine longueur pour éviter des pertes de charge. Là encore, la longueur axiale de la machine, et par suite sa masse, n'est pas optimale. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une configuration de chambre de combustion pour turbomachine qui ne présente pas de zone morte dans son environnement et qui permette de donner une longueur axiale minimale à la turbomachine. A cet effet, l'invention a pour objet une chambre de combustion inversée pour turbomachine, comprenant une première partie annulaire configurée pour porter au moins un système d'injection et une seconde partie annulaire se prolongeant au-delà de cette première partie de façon à former un canal de guidage pour un retournement de la direction de circulation des gaz traversant la chambre, en référence à l'axe de rotation de ladite turbomachine, caractérisée en ce que l'axe Y-Y de ladite première partie est sécante avec ledit axe de rotation. Le fait de placer la première partie d'une chambre inversée de façon oblique permet, en premier lieu, de raccourcir sa longueur axiale, mesurée selon son axe de symétrie, et, en second lieu de la rendre plus facilement logeable en dessous d'un diffuseur de compresseur centrifuge. Avantageusement l'axe de la seconde partie au niveau de la sortie des gaz, est aligné avec l'orientation dudit axe de rotation, ladite première partie étant positionnée à l'extérieur de ladite seconde partie. On obtient ainsi une configuration relativement compacte, qui reste compatible d'un positionnement de la chambre en dessous d'un diffuseur de compresseur centrifuge. De façon préférentielle l'axe Y-Y de la première partie fait un angle compris entre 30 et 60° avec la direction de l'axe de la seconde partie au niveau de la sortie des gaz. cet angle permet d'optimiser la circulation de l'air en sortie d'un diffuseur et de faciliter son retournement avant l'entrée dans la chambre. L'invention porte également sur un ensemble constitué d'une chambre de combustion telle que décrite ci-dessus et d'un diffuseur destiné à être positionné en sortie d'un compresseur centrifuge et comportant deux faces s'étendant parallèlement l'une à l'autre, caractérisé en ce que lesdites faces ont une forme courbe, la direction de circulation de l'air évoluant entre une orientation radiale au niveau de l'orifice d'entrée et une orientation faisant, avec la direction de l'axe de rotation, un angle inférieur à 90° au niveau de son orifice de sortie. Cette configuration permet de réduire l'extension axiale du diffuseur et donc de réduire la masse globale du moteur. Elle facilite également le positionnement de la chambre en dessous de ce diffuseur. De façon préférentielle l'orientation des parois du diffuseur au niveau de son orifice de sortie est parallèle audit axe Y-Y de la première partie de la chambre. Cette configuration est favorable pour la circulation de l'air entre sa sortie du diffuseur et son entrée dans la chambre de combustion, en reproduisant le schéma connu dans le cas des chambres de combustion inversées cylindriques. Avantageusement la forme des parois du diffuseur est constamment évolutive entre son orifice d'entrée et son orifice de sortie. Préférentiellement la forme des parois du diffuseur évolue parallèlement à celle de la paroi externe de la chambre au niveau de son canal de retournement. On optimise ainsi l'encombrement global des deux éléments et donc leur extension radiale et, par suite, la masse globale du moteur. Dans un mode particulier de réalisation les parois du diffuseur et la paroi externe de la chambre au niveau de son canal de retournement ont des formes toriques concentriques. De façon préférentielle le diffuseur ne comporte qu'un redresseur unique, monobloc, le long du parcours suivi par l'air issu du compresseur. Cette configuration de redresseur unique a une meilleur efficacité aérodynamique que les redresseurs disjoints de l'art antérieur. L'invention porte enfin sur une turbomachine équipée d'un compresseur centrifuge pour son dernier étage de compression, qui est caractérisée en ce qu'elle comporte en sortie dudit compresseur un ensemble tel que ceux décrits ci-dessus. 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 mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en coupe d'une chambre de combustion non inversée, selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue en coupe d'une chambre de combustion inversée, selon l'art antérieur ; - la figure 3 est une vue en coupe d'une chambre de combustion inversée et d'un diffuseur, configurés selon un mode de réalisation de l'invention. En se référant à la figure 1, on voit la partie d'une turbomachine de l'art antérieur équipée d'un compresseur centrifuge, qui est située entre la sortie du compresseur 1 et l'entrée dans le distributeur de turbine 7. Le compresseur centrifuge 1, en forme de rouet, comprime l'air et l'éjecte radialement dans un diffuseur annulaire fixe 2, dont une première partie 21, orientée elle aussi radialement, se termine par un coude puis se prolonge par une seconde partie 22 inclinée et orientée en direction de la chambre de combustion 4. L'air sort ainsi du diffuseur 2 et pénètre dans la chambre de combustion 4, qui est non-inversée, sans variation importante dans sa direction de cheminement. Pour canaliser l'air à l'intérieur du diffuseur 2 et éliminer la composante tangentielle de sa direction, le diffuseur est équipé de redresseurs 81 et 82 qui ont la forme de parois orientées sensiblement selon un plan axial et qui s'étendent entre ses faces amont et aval. Un premier redresseur 81 est positionné dans la première partie 21, radiale, du diffuseur alors que le second redresseur 82 est disposé dans sa seconde partie, inclinée, 22. La chambre 4 a une forme annulaire conique, c'est-à-dire que son axe est sécant avec l'axe de la turbomachine. Compte tenu du coude que doit faire le diffuseur pour redresser l'air et l'envoyer en direction de la chambre de combustion, le rayon au niveau de son plan de sortie est limité et, de ce fait, la section de sortie du diffuseur ne peut pas être augmentée autant qu'il serait souhaitable, sauf à faire diverger progressivement ses parois l'une de l'autre. Il s'ensuit que, dans le cas d'un diffuseur à parois parallèles, la vitesse de l'air en sortie du diffuseur reste importante (de l'ordre de Mach 0,2) et cela entraîne des pertes de charges non négligeables qui nécessitent l'implantation de capotages 5 pour entourer le système d'injection 9 au niveau de l'entrée dans la chambre 4. La configuration illustrée comporte donc de nombreux inconvénients, comme la nécessité des capotages 5 et la présence d'une zone morte 6, qui n'a pas d'utilité pratique et qui allonge inutilement la longueur axiale du moteur et, par conséquent, sa masse. La figure 2 montre une autre configuration d'une turbomachine de l'art antérieur, dans laquelle la chambre 4 a, cette fois-ci, une position inversée. De même que précédemment, l'air issu du compresseur centrifuge 1 débouche dans un diffuseur 2 dont la première partie 21 est radiale mais dont la seconde partie 22 est, ici, orientée axialement. Ce diffuseur comporte également deux redresseurs, un premier redresseur 81 dans sa partie radiale 21 et un second 82 dans sa partie axiale 22. La chambre de combustion 4, de forme annulaire, comporte une première partie cylindrique 41, qui porte le système d'injection 9, coaxiale avec l'axe de rotation de la turbomachine et qui se poursuit par un retournement 42 pour amener les gaz dans la direction axiale et les envoyer sur le distributeur de turbine 7 selon leur sens classique d'écoulement. L'orientation axiale de la seconde partie 22 du diffuseur 2, associée à la présence du retournement 42, permet de dégager de l'espace en dessous de cette seconde partie du diffuseur et ainsi d'offrir de la place pour la chambre de combustion 4, qui peut être déplacée vers l'amont du moteur jusqu'à une très courte distance de la face aval du rouet du compresseur centrifuge 1. L'air issu du diffuseur a par ailleurs une vitesse relativement faible (avec un nombre de Mach typiquement compris entre 0,14 à 0,16) car la sortie du diffuseur s'effectue au niveau de la paroi externe entourant la chambre, c'est-à-dire avec un rayon qui est le plus élevé possible. La section de sortie du diffuseur est ainsi la plus grande qu'il soit possible de trouver, pour une épaisseur donnée de la veine du diffuseur. Le circuit qu'effectue l'air entre la sortie de la seconde partie 22 du diffuseur et la sortie de la chambre 4, au niveau de l'entrée dans le distributeur de turbine 7, est en revanche, relativement long puisqu'il consiste en deux retournements de 180°. En se référant maintenant à la figure 3, on va décrire un mode de réalisation de l'invention. Les éléments identiques aux réalisations de l'art antérieur sont désignés par le même chiffre de référence et ne sont pas décrits à nouveau. Ici, la chambre de combustion 4 a une position inversée mais, à la différence de celle de la figure 2, elle n'a pas une forme cylindrique. Sa première partie 41 est dite conique car elle a la forme d'un anneau entourant les parois, d'un cône dont le sommet est situé du côté amont de la turbomachine. L'axe Y-Y de la première partie de la chambre s'écarte de la direction de l'axe de rotation de la turbomachine. La valeur a de l'angle entre les deux directions se situe dans une plage allant typiquement de 30 à 60°, sans que ces valeurs ne constituent des valeurs extrêmes limitant la portée de l'invention. La seconde partie de la chambre, c'est-à-dire le retournement 42, est analogue à celle du cas précédent, si ce n'est qu'elle est plus courte, du fait que la déviation qu'elle doit assurer est inférieure, d'une valeur a, aux 180 degrés de retournement du cas précédent. Cette chambre de combustion inversée est, là encore, positionnée le plus en amont possible, c'est-à-dire à une distance minimale de la face aval du rouet du compresseur centrifuge 1 et de celle du diffuseur 2, distance qui reste toutefois compatible des divers mouvements des pièces en utilisation. En revanche, la forme du diffuseur 2 est très différente de l'art antérieur car il présente une forme courbe qui est parallèle à la paroi externe de la chambre 4. Son orifice d'entrée 31 est positionné en vis à vis de la sortie du rouet du compresseur 1, avec un axe qui est orienté radialement, alors que l'axe de son orifice de sortie 32 est orienté selon une direction X-X inclinée par rapport à l'axe de rotation de la turbomachine. Comme représenté sur la figure, cet axe X-X est parallèle à celui Y-Y de la première partie 41 de la chambre de combustion et fait donc un angle a avec l'axe de rotation, sans que cette identité des valeurs d'inclinaison soit essentielle pour la réalisation de l'invention. En tout état de cause l'angle de la direction X-X avec l'axe de rotation est inférieur à 90°, ce qui laisse la place recherchée pour positionner la chambre de combustion le plus possible vers l'avant, tout en en restant en dessous du diffuseur. Alors que la paroi externe de la chambre de combustion est sensiblement torique, de rayon R1, au niveau de son retournement 42, les parois amont et aval du diffuseur 2 sont elles aussi toriques avec des rayons respectivement R3 et R2, les trois tores étant concentriques. Le diffuseur 2 présentant une forme continue, et ne comportant pas de coude prononcé, il est possible de ne disposer qu'un seul redresseur 8 entre ses deux parois, et de le faire s'étendre sur une longueur suffisante pour éliminer la composante tangentielle de l'écoulement en sortie du compresseur 1. On obtient ainsi, avec cette réduction de deux à un seul élément redresseur, une simplification de la réalisation du diffuseur 2 et une meilleure efficacité aérodynamique pour l'élimination de la composante tangentielle. Les divers avantages apportés par l'invention peuvent se résumer comme suit : La première partie 41 de la chambre étant placée de façon inclinée par rapport à l'axe de rotation de la turbomachine, son extension axiale est réduite, sensiblement dans une proportion égale à cos a. Cette réduction entraîne automatiquement celles des divers carters ou capot constituant le module de chambre de combustion et donc réduit globalement la masse du moteur. La seconde partie 42 de cette même chambre n'effectue un retournement que sur un angle inférieur à 180° et est donc, curvilignement, plus courte que le retournement d'une chambre inversée cylindrique classique. Là encore cette configuration tend à réduire la masse globale du moteur. Le diffuseur étant courbe et sensiblement parallèle à la paroi externe de la chambre peut voir sa longueur prolongée autant qu'il est souhaitable. Rien n'interdit de l'étendre jusqu'au niveau du carter extérieur qui enveloppe la chambre, pour obtenir une surface de sortie 32 qui soit la pus grande possible. On réduit ainsi le nombre de Mach de l'écoulement qui sort du diffuseur, qui peut alors être descendu jusqu'à des valeurs comprises entre 0,10 et 0,15. Cette réduction est bénéfique pour la réduction des pertes de charge et participe à une amélioration du rendement thermodynamique de la turbomachine. De même la réduction à moins de 180° du second retournement subi par le cheminement de l'air entre la sortie 32 du diffuseur et l'entrée dans le distributeur de turbine 7 permet, de réduire, là encore, les pertes de charges subies au cours de son transit dans le module de chambre de combustion. Enfin la réalisation d'un diffuseur 2 à un seul redresseur 8 permet de simplifier sa fabrication. Un redresseur unique 8 est par ailleurs, du fait de la continuité de son action, mieux adapté à la suppression de la composante tangentielle que les deux redresseurs disjoints 81 et 82 de l'art antérieur. Son efficacité améliorée permet alors de réduire sa longueur à efficacité constante et donc de réduire la masse ou bien d'augmenter son efficacité à longueur globale constante pour améliorer le rendement de la turbomachine. REVENDICATIONS1. Chambre de combustion inversée pour turbomachine, comprenant une première partie annulaire (41) configurée pour porter au moins un système d'injection (9) et une seconde partie annulaire (42) se prolongeant au-delà de cette première partie de façon à former un canal de guidage pour un retournement de la direction de circulation des gaz traversant la chambre (4), en référence à l'axe de rotation de ladite turbomachine, caractérisée en ce que l'axe Y-Y de ladite première partie est sécante avec ledit axe de rotation. 2. Chambre de combustion selon la revendication 1 dans laquelle l'axe de la seconde partie (42) au niveau de la sortie des gaz, est aligné avec l'orientation dudit axe de rotation, ladite première partie étant positionnée à l'extérieur de ladite seconde partie. 3. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 ou 2 dans laquelle l'axe Y-Y de la première partie fait un angle compris entre 30 et 60° avec la direction de l'axe de la seconde partie (42) au niveau de la sortie des gaz. 4. Ensemble constitué d'une chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 3 et d'un diffuseur (2) destiné à être positionné en sortie d'un compresseur centrifuge (1) et comportant deux faces s'étendant parallèlement l'une à l'autre, caractérisé en ce que lesdites faces ont une forme courbe, la direction de circulation de l'air évoluant entre une orientation radiale au niveau de l'orifice d'entrée (31) et une orientation faisant, avec la direction de l'axe de rotation, un angle inférieur à 90° au niveau de son orifice de sortie (32). 5. Ensemble selon la revendication 4 dans lequel l'orientation des parois du diffuseur (2) au niveau de son orifice de sortie (32) est parallèle audit axe Y-Y de la première partie (41) de la chambre (4). 6. Ensemble selon l'une des revendications 4 ou 5 dans lequel la forme des parois du diffuseur est constamment évolutive entre son orifice d'entrée (31) et son orifice de sortie (32). 7. Ensemble selon l'une des revendications 4 à 6 dans lequel la forme des parois du diffuseur (2) évolue parallèlement à celle de la paroi externe de la chambre (4) au niveau de son canal de retournement (42). 8. Ensemble selon la revendication 7 dans lequel les parois du diffuseur (2) et la paroi externe de la chambre (4) au niveau de son canal de retournement (42) ont des formes toriques concentriques. 9. Ensemble selon l'une des revendications 4 à 8 dans lequel le diffuseur (2) ne comporte qu'un redresseur unique (8), monobloc, le long du parcours suivi par l'air issu du compresseur (1). 10.Turbomachine équipée d'un compresseur centrifuge (1) pour son dernier étage de compression, caractérisée en ce qu'elle comporte en sortie dudit compresseur un ensemble selon l'une des revendications 4 à 9.