Brevet FR2979416A1 — publié le 20130301

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des chambres de combustion pour turbomachines, et en particulier aux parois annulaires de 5 chambres de combustion de turbomachines, comportant un côté froid et un côté chaud. Par « turbomachine », on entend, dans le présent contexte, une machine permettant la conversion de l'énergie thermique d'un fluide de 10 travail en énergie mécanique par détente dudit fluide de travail dans une turbine. Dans la description qui suit, les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation normal du fluide de travail dans la turbomachine. 15 En particulier, la présente invention se rapporte aux turbomachines dites à combustion interne, dans lequel le fluide de travail de la turbine inclut au moins une partie des produits d'une combustion ayant apporté cette énergie thermique au fluide de travail. Parmi des telles turbomachines, on compte notamment les turbines à gaz, les 20 turboréacteurs, les turbopropulseurs, et les turbomoteurs. Typiquement, des telles turbomachines à combustion interne comprennent, en amont de la turbine, une chambre de combustion dans lequel un carburant est mélangé au fluide de travail, typiquement de l'air, et brûlé. Ainsi, l'énergie chimique contenue dans le carburant est convertie en énergie thermique 25 dans la chambre de combustion, chauffant ainsi le fluide de travail dont l'énergie thermique sera ensuite convertie en énergie mécanique dans la turbine. Typiquement, une telle turbomachine comporte aussi, en amont de la chambre de combustion, un compresseur entraîné par un arbre rotatif commun à au moins un étage de la turbine pour compresser l'air 30 avant la combustion. Dans une telle turbomachine, la chambre de combustion comporte typiquement au moins une paroi annulaire munie de trous pour permettre à de l'air circulant du côté froid de la paroi de pénétrer du côté chaud de 35 la paroi. Une telle paroi s'étend, dans le sens de l'écoulement du fluide de travail, entre un fond de la chambre de combustion, où sont normalement situés des injecteurs de carburant, et une sortie de gaz de combustion. La chambre de combustion est typiquement située à l'intérieur d'un carter de générateur de gaz, lequel est en communication avec le compresseur pour recevoir de l'air pressurisé dans ce dernier. Dans une telle chambre de combustion, le débit d'air à travers ces trous joue plusieurs rôles. Dans une première zone, dite zone primaire, à proximité du fond de la chambre et donc des injecteurs, la paroi comporte au moins un trou dit primaire et servant principalement à alimenter en air la réaction de combustion avec le carburant injecté par les injecteurs. Toutefois, l'air entrant dans la chambre de combustion à travers des trous situés dans une deuxième zone plus en aval, dite zone de dilution, sert principalement à diluer les gaz de combustion, pour en diminuer ainsi la température en sortie de la chambre de combustion, et donc limiter les contraintes thermiques sur la turbine en aval de la chambre de combustion. Toutefois, afin d'augmenter l'efficience du cycle thermodynamique de la turbomachine, on a tendance à augmenter de plus en plus la température dans la chambre de combustion. Ceci pose des contraintes thermiques considérables aussi sur les parois de l'enveloppe de la chambre de combustion. Afin de refroidir ces parois, celles-ci peuvent présenter aussi un grand nombre de trous de refroidissement de petit diamètre, normalement non supérieur à 1 mm. L'air entrant dans la chambre de combustion à travers ces trous de refroidissement forme un film relativement froid du côté chaud de chaque paroi, protégeant ainsi le matériau des parois de la chaleur de combustion. Dans la zone de dilution des chambres de combustion de l'état de la technique, on a toutefois gardé d'un côté des trous de dilution de grand diamètre, normalement supérieur à 1 mm, pour la dilution des gaz de combustion, et, d'autre part, des trous de refroidissement de petit diamètre, non supérieur à 1 mm, pour le refroidissement des parois de la chambre de combustion, la personne du métier pensant en effet que des jets d'air ne pouvant être produits que par des trous de grand diamètre seraient nécessaires pour pénétrer profondément dans l'écoulement de la chambre de combustion et ainsi obtenir en aval un bon mélange de l'air de dilution avec les gaz de combustion. Toutefois, ceci présente d'autres inconvénients. En particulier, ces jets d'air de dilution peuvent provoquer des hétérogénéités importantes dans la température à l'intérieur de la chambre de combustion. Or, pour des raisons environnementales et d'efficience de combustion, on a intérêt à avoir une distribution la plus homogène possible de la température dans la chambre de combustion. Des pics de température dans celle-ci peuvent provoquer la formation d'oxydes nitreux, tandis que du carburant peut rester sans brûler dans des zones de plus basse température. Objet et résumé de l'invention La présente invention se rapporte à une paroi annulaire de chambre de combustion de turbomachine, comportant un côté froid et un côté chaud, ladite paroi étant munie d'au moins un trou primaire pour permettre à un premier débit d'air circulant du côté froid de la paroi de pénétrer du côté chaud de la paroi pour alimenter la combustion d'un carburant à l'intérieur de la chambre de combustion, et d'une pluralité de trous de refroidissement, ayant chacun un diamètre non supérieur à 1 mm, pour permettre à un deuxième débit d'air circulant du côté froid de la paroi de pénétrer du côté chaud de la paroi pour refroidir le côté chaud de la paroi. Un objet de la présente invention est celui d'homogénéiser la distribution de température dans la chambre de combustion, tout en augmentant l'efficience du cycle thermodynamique de la turbomachine. Pour cela, dans au moins un mode de réalisation d'une paroi annulaire de chambre de combustion de turbomachine suivant l'invention, la pluralité de trous de refroidissement est aussi apte à assurer la dilution de gaz de combustion issus de ladite combustion par le débit d'air pénétrant du côté chaud de la paroi à travers les trous de refroidissement. Contrairement au préjugé des personnes du métier, on a constaté que l'apport d'air à travers de tels orifices de petit diamètre suffit à assurer non seulement le refroidissement des parois de la chambre de combustion, mais aussi un brassage efficace des gaz de combustion avec l'air apporté par ces orifices de petit diamètre, résultant en une dilution efficace des gaz de combustion. En particulier, selon un deuxième aspect de l'invention, dans une telle chambre de combustion, lesdits trous de refroidissement peuvent représentent au moins 50% d'une surface globale de passage d'air à travers la paroi, et plus spécifiquement au moins 97% d'une surface globale de passage d'air à travers la paroi en aval dudit au moins un trou primaire. On peut ainsi largement se passer d'orifices de grand diamètre pour la dilution des gaz de combustion, ce qui non seulement aide à éviter les hétérogénéités dans l'écoulement dans la chambre de combustion, mais peut aussi faciliter la fabrication de la zone de dilution de la chambre de combustion. Selon un troisième aspect, afin d'améliorer le brassage des gaz de combustion avec l'air apporté par les trous de refroidissement, chaque trou d'une pluralité desdits trous de refroidissement est orienté suivant un axe dont une projection sur la paroi présente un angle 0 au moins égal à 45° par rapport à la direction d'un axe central de la paroi. En particulier, ledit angle 0 pourrait être entre 85° et 95°. Ainsi, l'air injecté dans la chambre de combustion à travers les trous de refroidissement suivra un écoulement hélicoïdal, prolongeant son séjour dans la chambre de combustion et épaississant le film d'air relativement froid adjacent au côté chaud de la paroi, ce qui bénéficie non seulement au refroidissement de la paroi, mais aussi au brassage des gaz de combustion avec l'air de ce film plus épais. Selon un quatrième aspect, aussi afin d'améliorer le brassage des gaz de combustion avec l'air introduit par les trous de refroidissement, chaque trou d'une pluralité desdits trous de refroidissement est orienté suivant un axe présentant, par rapport à la paroi, un angle 13 non supérieur à 45°, et de préférence non supérieur à 30°. On assure ainsi la stabilité du film d'air relativement froid adjacent au côté chaud de la paroi. 2 9 794 16 5 Toutefois, selon un cinquième aspect, et aussi afin de stabiliser le film d'air froid, ledit angle f3 est au moins égal à 15°, et de préférence au moins égal à 20°. 5 La présente invention se rapporte aussi à une chambre de combustion de turbomachine comportant une paroi intérieure et une paroi extérieure concentriques. La paroi intérieure et/ou la paroi extérieure peuvent être des parois annulaires suivant un mode de réalisation de l'invention, comprenant donc une pluralité de trous de refroidissement, 10 ayant chacun un diamètre non supérieur à 1 mm, pour permettre à un débit d'air circulant du côté froid de la paroi de pénétrer du côté chaud de la paroi non seulement pour refroidir le côté chaud de la paroi, mais aussi assurer la dilution de gaz de combustion issus de ladite combustion par le débit d'air pénétrant du côté chaud de la paroi à travers les trous de 15 refroidissement. Toutefois, la chambre de combustion peut avoir de formes différentes à cette forme annulaire. Par exemple, elle pourrait être formée par une pluralité de telles parois annulaires avec des axes centraux différents arrangés autour d'un axe central de la turbomachine pour former une pluralité de tuyaux de flamme séparés. 20 La présente invention se rapporte aussi à une turbomachine, telle qu'une turbine à gaz, turboréacteur, turbopropulseur ou turbomoteur, en particulier pour une application aéronautique, comportant une chambre de combustion avec au moins une paroi annulaire comprenant une pluralité 25 de trous de refroidissement, ayant chacun un diamètre non supérieur à 1 mm, pour permettre à un débit d'air circulant du côté froid de la paroi de pénétrer du côté chaud de la paroi non seulement pour refroidir le côté chaud de la paroi, mais aussi assurer la dilution de gaz de combustion issus de ladite combustion par le débit d'air pénétrant du côté chaud de la 30 paroi à travers les trous de refroidissement. La présente invention se rapporte aussi à un procédé de dilution des gaz de combustion dans une chambre de combustion de turbomachine, ladite chambre de combustion comportant au moins une paroi annulaire avec un côté froid et un côté chaud, et étant munie d'au moins un trou primaire pour permettre à un premier débit d'air circulant du côté froid de la paroi de pénétrer du côté chaud de la paroi pour alimenter la combustion d'un carburant à l'intérieur de la chambre de combustion, et d'une pluralité de trous de refroidissement, ayant chacun un diamètre non supérieur à 1 mm, pour permettre à un deuxième débit d'air circulant du côté froid de la paroi de pénétrer du côté chaud de la paroi pour refroidir le côté chaud de la paroi, le procédé étant caractérisé en ce que le débit d'air pénétrant du côté chaud de la paroi assure aussi la dilution des gaz de combustion. Brève description des dessins L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'une turbomachine ; la figure 2 est une coupe longitudinale schématique d'une chambre de combustion de l'art antérieur ; - la figure 3 est une coupe longitudinale schématique d'une chambre de combustion suivant un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 4A est une vue de détail d'une paroi de la chambre de combustion de la figure 3, en projection cylindrique ; et - la figure 4B est une vue de détail de la même paroi, en coupe transversale suivant la ligne IVB-IVB ; et Description détaillée de l'invention Une turbomachine, plus spécifiquement sous forme d'un turbomoteur 1, est illustrée schématiquement à titre explicatif sur la figure 1. Ce turbomoteur 1 comporte, dans le sens d'écoulement d'un fluide de travail, un compresseur centrifuge 3, une chambre de combustion annulaire 4, une première turbine axiale 5, et une deuxième turbine axiale 6. En outre, le turbomoteur 1 comprend aussi un premier arbre rotatif 7 et un deuxième arbre rotatif 8 coaxial au premier arbre rotatif 7. Le deuxième arbre rotatif 8 relie le compresseur centrifuge 3 à la première turbine axiale 5, de manière à ce que la détente du fluide de travail dans cette première turbine axiale 5 en aval de la chambre de combustion 4 serve à actionner le compresseur 3 en amont de la chambre de combustion 4. Le premier arbre rotatif 7 relie la deuxième turbine axiale 6 à une sortie de puissance 9 positionnée en aval et/ou en amont de la machine, de telle manière que la détente subséquente du fluide de travail dans la deuxième turbine axiale 6 en aval de la première turbine axiale 5 serve à actionner la sortie de puissance 9. Ainsi, la compression du fluide de travail dans le compresseurs centrifuge 3, suivie par un réchauffement du fluide de travail dans la chambre de combustion 4, et sa détente dans la deuxième turbine axiale 6 permettent la conversion d'une partie de l'énergie thermique introduite par la combustion dans la chambre de combustion 4 en travail mécanique extrait par la sortie de puissance 9. Dans la turbomachine illustrée, le fluide moteur est de l'air, auquel on ajoute et dans lequel on brûle un carburant dans la chambre de combustion 4, carburant tel que, par exemple, un hydrocarbure. Une chambre de combustion 204 de l'art antérieur est illustrée sur la 25 figure 2. Cette chambre de combustion 204 comporte une paroi intérieure 211 et une paroi extérieure 212, annulaires et concentriques, s'étendant d'un fond 213, dans lequel les deux parois 211 et 212 se rejoignent, jusqu'à une sortie des gaz de combustion. La chambre de combustion 204 peut être divisée en une zone primaire 204a, dans laquelle sont situés des 30 injecteurs de carburant 215, et une zone de dilution 204b, en aval de la zone primaire 204a. Dans l'exemple illustré, la chambre de combustion 204 est du type présentant un coude 216 afin de limiter l'encombrement axial. Ce type de chambres de combustion est particulièrement courant parmi les turbomachines à compresseur centrifuges, surtout quand elles 35 sont des turbomoteurs comme celui illustré sur la figure 1. 2 9 794 16 8 Les parois 211 et 212 de cette chambre de combustion 204 présentent trois types de trous différents, permettant tous les trois le passage de débits d'air du côté froid des parois 211, 212, à l'extérieur de la chambre de combustion 204, au côté chaud des parois 211, 212, à 5 l'intérieur de la chambre des combustion 204. Un premier type de trous sont les trous dits primaires 217, situés dans la zone primaire 204a et permettant le passage d'air servant à alimenter la combustion du carburant injecté par les injecteurs 215. En aval de ces trous primaires 217, les parois 211, 212 comportent aussi un deuxième type de trous dits 10 trous de dilution 218, permettant le passage d'air servant à diluer les gaz de combustion 220 résultant de la combustion du carburant injecté par les injecteurs 215 avec l'air entrant par les trous primaires 217. Les parois 211, 212 comportent aussi un troisième type de trous dits trous de refroidissement 219, permettant le passage d'air servant à refroidir le côté 15 chaud de chacune des parois 211, 212. Les trois types de trous se différentient notamment par leurs tailles différentes. Ainsi, les trous primaires 217 et surtout les trous de dilution 218 présentent des diamètres sensiblement plus grands que les trous de refroidissement 219. En effet, tandis que ces derniers, distribués en grand nombre sur la 20 surface des parois 211, 212 ont chacun un diamètre non supérieur à 1 mm, les trous de dilution 218 ont des diamètres de l'ordre de 5 mm et plus. Ainsi, quand la turbomachine est en fonctionnement, l'air pénétrant du côté chaud des parois 211, 212 à travers les trous de refroidissement 219 forme un film d'air 221 relativement froid qui reste adjacent aux parois 211, 212 afin de les protéger de la chaleur des gaz de combustion 220, l'air pénétrant à travers les trous de dilution 218 forme des jets 222 pénétrant profondément dans la chambre de combustion 204 pour se mélanger avec les gaz de combustion 220 dans la zone de dilution 204b. Une chambre de combustion 4 suivant un mode de réalisation de l'invention est illustrée sur la Figure 3. Cette chambre de combustion 4 comporte aussi une paroi intérieure 11 et une paroi extérieure 12, annulaires et concentriques, s'étendant d'un fond 13, dans lequel les deux parois 11 et 12 se rejoignent, jusqu'à une sortie des gaz de combustion. La chambre de combustion 4 peut aussi être divisée en une zone primaire 4a, dans laquelle sont situés des injecteurs de carburant 15, et une zone et une zone de dilution 4b, en aval de la zone primaire 4a. Dans le mode de réalisation illustré, les parois intérieure et extérieure sont séparées par une distance radiale maximale h, et la profondeur de la zone primaire en direction de l'axe central X de la chambre de combustion est égale à cette distance h. Dans l'exemple illustré, la chambre de combustion 4 est aussi du type présentant un coude 16 afin de limiter son encombrement axial. Toutefois, contrairement à la chambre de combustion 204 de l'art antérieur, cette chambre de combustion 4 ne présente que deux types de trous permettant le passage de débits d'air du côté froid des parois 11, 12, à l'extérieur de la chambre de combustion 4, au côté chaud des parois 11, 12, à l'intérieur de la chambre de combustion 4 : des trous primaires 17 et des trous de refroidissement 19. Ainsi, en aval desdits trous primaires 17, et en particulier dans la zone de dilution 4b, les parois 11, 12 ne présentent pratiquement pas de trou de passage d'air de diamètre supérieur à 1 mm. Bien que les parois 11,12 puissent présenter certains autres orifices, comme, par exemple des trous pour l'inspection endoscopique de la chambre de combustion 4, les trous de refroidissement 19 représentent au moins 50% d'une surface globale de passage d'air à travers les parois 11,12, et au moins 97% dans la zone de dilution 4b. Dans cette chambre de combustion 4, les trous de dilution spécifiques de plus grand diamètre étant absents, la dilution des gaz de combustion 20 s'effectue de manière pratiquement exclusive par l'air pénétrant dans la chambre de combustion 4 à travers les trous de refroidissement 19, l'air du film d'air 21 adjacent aux parois 11, 12 se mélangeant effectivement aux gaz de combustion 20. Afin de faciliter ce mélange, dans le mode de réalisation illustré les trous de refroidissement 19 sont orientés de manière à impulser sur une trajectoire hélicoïdale l'air pénétrant dans la chambre de combustion 4 à travers ces trous de refroidissement 19. Ainsi, comme illustré sur les figures 4A et 4B, dans ce mode de réalisation chaque trou de refroidissement 19 est orienté suivant un axe qui présente, par rapport à la paroi 11,12, un angle B dans la plage comprise entre 20° et 30°, et dont une projection sur la paroi présente un angle 0 d'approximativement 90° par rapport à la direction de l'axe central X. La chambre de combustion 4 illustrée parvient ainsi à diluer les gaz de combustion 20 de manière homogène et effective, en se passant de trous de dilution spécifiques de grand diamètre, et évitant ainsi les inconvénients liés à ceux-ci. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par exemple, d'autres angles 6 et [3 sont envisageables, en particulier dans les plages e_?_45° et 15°45°. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.