Brevet FR3027741A1 — publié le 20160429

ENSEMBLE D'ALLUMAGE La présente invention se rapporte à un ensemble d'allumage pour un système de combustion d'un moteur à turbine à gaz. La Figure 1 représente schématiquement une coupe transversale à travers une chambre de combustion à tubes à flamme multiples d'un moteur à turbine à gaz. Un certain nombre de tubes à flamme 200 (un seul est représenté dans la Figure 1) sont espacés de manière circonférentielle autour de la chambre de combustion, chaque tube à flamme ayant un brûleur à jet d'air radial 202. Les tubes à flamme sont sans interconnecteurs, et donc chacun a deux bougies d'allumage 204 (une seule représentée dans la Figure 1) et un pulvérisateur de carburant à goupille de positionnement 206 utilisé pour le démarrage uniquement. Des tubes à orifice d'admission d'air 208 sont soudés au cylindre du tube à flamme. Les tubes à flamme 200 ont des revêtements formant barrières thermiques (TBC) sur leurs côtés intérieurs (chauds). Les tubes à flamme sont à simple paroi et refroidis par des films d'air de refroidissement produits par des trous d'effusion inclinés. Un système de tubage à double paroi entoure les tubes à flamme. Les parois extérieure 210 et intérieure 212 du système forment entre elles un volume extérieur 211 qui recueille l'air comprimé reçu à partir du compresseur haute pression du moteur pour une distribution subséquente à un récupérateur de gaz d'échappement. La paroi intérieure 212 et les tubes à flamme 200 forment entre eux un volume intérieur 213 qui reçoit l'air comprimé de renvoi provenant du récupérateur pour le distribuer dans les tubes à flamme. Chaque bougie d'allumage 204 entre dans son tube à flamme 200 à travers une ouverture dans la paroi du tube, avec un bossage d'allumage essentiellement annulaire 214 soudé au tube au niveau de l'ouverture pour encercler la pointe de la bougie. La pointe est ainsi située de sorte qu'elle puisse fournir une décharge électrique pour allumer un mélange air-carburant dans le tube à flamme 200, le bossage fournissant une position de montage d'un joint d'étanchéité pour la bougie d'allumage. Le bossage peut également fournir des trous d'air qui alimentent la pointe en jets d'air de purification. Par exemple, comme représenté schématiquement dans la Figure 2, chaque bossage d'allumage 214 a une surface intérieure 215 qui est alignée avec le côté chaud de la paroi du tube à flamme 200. Le bossage a également un certain nombre de trous 216 ayant un diamètre de 3,0 mm à un angle d'environ 17,5° par rapport à la face 217 de la pointe d'allumage et le côté chaud de la paroi. L'air provenant du volume intérieur 213 est dirigé par les trous 216 dans des jets d'air 218, dont la trajectoire manque juste l'extrémité de l'alésage du bossage 214 sur le côté opposé aux sorties des trous. Le faible angle des jets d'air les amène à purifier la pointe de l'allumeur, de sorte qu'ils éliminent les grosses gouttelettes de carburant qui peuvent atteindre la pointe au cours de l'allumage. Les jets d'air à faible angle se combinent également avec un film d'air de refroidissement en amont 220 créé par des trous d'effusion inclinés circonférentiels pour créer un film d'air de refroidissement en aval amélioré 222 sur le côté chaud de la paroi du tube à flamme. Lorsque la chambre de combustion est utilisée avec des carburants corrosifs, tels que des carburants diesel marins, la surface intérieure 215 du bossage d'allumage 214 peut devenir rapidement corrodée. Une option consiste à revêtir la surface intérieure 215 avec un revêtement résistant approprié. Toutefois, cela peut augmenter les coûts comme les bossages d'allumage sont de toute façon sensibles à l'usure en raison de la proximité de la décharge électrique d'allumage et par conséquent, en général, ils doivent être des éléments remplaçables. Une autre option, représentée schématiquement dans la Figure 3, consiste à rétracter le bossage d'allumage 214 et la bougie d'allumage 204 légèrement du tube à flamme 200 de sorte que la paroi du tube à flamme puisse être étendue pour couvrir la surface intérieure 215 du bossage. Cela peut protéger le bossage des carburants corrosifs. Cependant, les jets d'air 218 provenant des trous 216 heurtent ensuite le bord de la paroi du tube à flamme définissant l'ouverture au lieu de se combiner avec le film d'air de refroidissement 220 pour créer le film d'air de refroidissement en aval amélioré 222. Par conséquent, des points chauds peuvent se former en aval du bossage, conduisant à une perte de TBC, une fissuration de métal et une durée de vie de chambre de combustion inadmissible. En outre, l'écoulement d'air perturbé autour de la pointe d'allumage 217 peut inhiber le séchage de la face de pointe 217 et augmenter la quantité de gouttelettes de carburant qui sont transportées dans l'alésage du bossage 214. Ces gouttelettes de carburant peuvent se cokéfier et provoquer des dysfonctionnements de court-circuit à l'intérieur de l'ensemble d'allumage, conduisant à une durée de vie de bougie d'allumage inadmissible et compromettant la fiabilité de démarrage. Si les trous 216 sont réglés de sorte que l'angle des jets d'air 218 augmente, les jets d'air peuvent être empêchés de heurter le bord de la paroi du tube à flamme. Toutefois, l'angle de jet d'air accru provoque une purification moins efficace de la face de pointe d'allumage 217. En plus, l'angle accru empêche les jets d'air de se combiner avec le film d'air de refroidissement 220. Un objet de la présente invention consiste à fournir un ensemble d'allumage qui résout de tels problèmes. Par conséquent, dans un premier aspect, la présente invention fournit un ensemble d'allumage pour un système de combustion d'un moteur à turbine à gaz, l'ensemble d'allumage comportant : une bougie d'allumage ayant une pointe qui, en cours d'utilisation, est située au niveau d'une ouverture dans une paroi d'un tube à flamme du système de combustion de sorte que la pointe puisse fournir une décharge électrique pour allumer un mélange air-carburant dans le tube à flamme ; et un bossage d'allumage essentiellement annulaire qui se trouve sur la paroi du tube à flamme au niveau de l'ouverture pour encercler la pointe ; où le bossage d'allumage a une fente formée dedans au niveau d'un côté de la pointe, une entrée de la fente recevant de l'air provenant de l'extérieur du tube à flamme et une sortie de la fente distribuant de l'air sous forme d'écoulement en forme de feuille sur la pointe, la fente étant effilée de sorte que l'épaisseur de la fente se rétrécit depuis son entrée jusqu'à sa sortie. Avantageusement, l'écoulement en forme de feuille peut fournir une purification de pointe efficace. L'écoulement à travers la fente et la configuration du bossage qui fournit la fente peuvent aussi aider à empêcher un délaminage de TBC du tube à flamme. Dans un deuxième aspect, la présente invention fournit un système de combustion d'un moteur à turbine à gaz, le système de combustion ayant un ou plusieurs tube(s) à flamme, où chaque tube à flamme a un ou plusieurs ensemble(s) d'allumage selon le premier aspect. Les parties intérieures des parois des tubes à flamme peuvent avoir des revêtements formant barrières thermiques. Dans un troisième aspect, la présente invention fournit un moteur à 35 turbine à gaz ayant un système de combustion selon le deuxième aspect. Des caractéristiques optionnelles de l'invention seront maintenant présentées. Celles-ci sont applicables seules ou en combinaison avec n'importe quel aspect de l'invention. La fente peut être effilée de sorte que des surfaces opposées définissant l'épaisseur de la fente forment un angle entre elles d'au moins 100. La fente peut être effilée de sorte que des surfaces opposées définissant l'épaisseur de la fente forment un angle entre elles d'au plus 30°. Par exemple, les surfaces opposées définissant l'épaisseur de la fente peuvent former un angle entre elles d'environ 200 . Les surfaces opposées définissant l'épaisseur de la fente peuvent être une surface extérieure de la paroi du tube à flamme et une surface en pente du bossage. Avec un tel agencement, l'écoulement à travers la fente peut fournir un refroidissement efficace de la paroi du tube à flamme, ce qui contribue à réduire le risque de délaminage de TBC. La fente peut être agencée de sorte que l'écoulement en forme de feuille, après le passage à travers la pointe, forme un film d'air de refroidissement à l'intérieur de la paroi du tube à flamme sur le côté de la pointe opposé à la fente. Le bossage peut être une construction en deux parties ayant une partie intérieure à proximité de la pointe et formant la fente, et une partie extérieure maintenant un joint d'étanchéité pour la bougie d'allumage. Une telle construction permet à la partie extérieure du bossage d'être enlevée et remplacée au besoin, tandis que la partie intérieure peut rester soudée à la paroi du tube à flamme. De cette façon, un délaminage de TBC associé au soudage d'un bossage monobloc au tube à flamme peut être évité. Commodément, les parties intérieure et extérieure peuvent être soudées par points ensemble. Le bossage d'allumage peut être soudé au tube à flamme au niveau des côtés opposés de la fente. En conséquence, la masse thermique du bossage peut être réduite aux positions de soudage, ce qui permet d'utiliser moins d'énergie thermique pour former les soudures, réduisant un risque de délaminage de TBC. Le bossage d'allumage peut être caché derrière la paroi du tube à flamme pour le protéger du mélange air-carburant de combustion dans le tube à 35 flamme. Des modes de réalisation de l'invention seront maintenant décrits à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : La Figure 1 représente schématiquement une coupe transversale à travers une chambre de combustion à tubes à flamme multiples d'un moteur à turbine à gaz ; La Figure 2 représente schématiquement un ensemble d'allumage pour un tube à flamme de la chambre de combustion de la Figure 1 ; La Figure 3 représente schématiquement une adaptation à l'ensemble d'allumage de la Figure 2 ; La Figure 4 représente une coupe transversale longitudinale à travers un moteur à turbine à gaz à cycle avancé ; La Figure 5 représente schématiquement un ensemble d'allumage pour un tube à flamme de la chambre de combustion du moteur de la Figure 4; La Figure 6 représente une coupe transversale schématique à travers l'ensemble d'allumage de la Figure 5; et La Figure 7 représente des vues en perspective de deux parties d'un bossage d'allumage de l'ensemble des Figures 4 et 5 (a) avant et (b) après leur soudage ensemble. En référence à la Figure 4, un moteur à turbine à gaz à cycle avancé incorporant l'invention est globalement indiqué par le numéro 10 et a un axe principal et de rotation X-X. Le moteur comprend, en une série d'écoulement, une entrée d'air 12, un compresseur basse pression 14, un refroidisseur intermédiaire 16, un compresseur haute pression 20, un récupérateur 21, une chambre de combustion 22, une turbine haute pression 26, une turbine basse pression 28, une turbine de puissance 30 et une sortie d'échappement 32. Au cours du fonctionnement, l'air entrant dans l'entrée 12 est comprimé par le compresseur basse pression 14. Il est ensuite dirigé vers le refroidisseur intermédiaire 16, où la chaleur perdue est enlevée dans un échangeur de chaleur 18. L'écoulement d'air comprimé est ensuite distribué au compresseur haute pression 20 où une compression supplémentaire a lieu. L'air comprimé évacué depuis le compresseur haute pression 20 est dirigé dans le récupérateur 21 où l'air comprimé récupère la chaleur des gaz d'échappement quittant la sortie d'échappement 32. L'air comprimé est ensuite dirigé vers la chambre de combustion 22, qui comporte un certain nombre de tubes à flamme espacés de manière circonférentielle 100. Un système de tubage à double paroi 24 (uniquement une partie supérieure du système de tubage étant représentée dans la Figure 4) entoure les tubes à flamme et forme un volume extérieur pour recueillir l'air comprimé évacué depuis le compresseur haute pression 20 en route vers le récupérateur 21, et un volume intérieur qui reçoit l'air comprimé de renvoi à partir du récupérateur 21 pour le partager entre les tubes à flamme. Dans les tubes à flamme 100, l'air comprimé est mélangé avec le carburant et le mélange brûlé. Les produits de combustion chauds résultants se dilatent ensuite à travers, et entraînent ainsi, les turbines haute pression, basse pression et de puissance 26, 28, 30, avant d'être évacués à travers la sortie 32. Les turbines haute et basse pression entraînent respectivement les compresseurs haute et basse pression 20, 14 par des arbres d'interconnexion appropriés. La turbine de puissance 30 devient un arbre de puissance 34 qui entraîne une charge 36, telle qu'un générateur d'électricité ou une hélice, typiquement par l'intermédiaire d'une boîte de transmission. La Figure 5 représente schématiquement un ensemble d'allumage pour un tube à flamme 100 de la chambre de combustion 22 de la Figure 4. L'ensemble comprend une bougie d'allumage 104 et un bossage d'allumage essentiellement annulaire 114. La bougie d'allumage 104 entre dans son tube à flamme à travers une ouverture 100 dans la paroi du tube, avec le bossage 114 soudé au tube au niveau de l'ouverture pour encercler la pointe de la bougie. La paroi du tube à flamme couvre la surface intérieure 115 du bossage pour protéger le bossage des carburants corrosifs. Le côté intérieur de la paroi du tube à flamme est à son tour recouvert d'un TBC. Une fente effilée 116 avec une section transversale d'écoulement rectangulaire est formée au niveau d'un côté du bossage 114 de manière adjacente à la paroi du tube à flamme 100. La fente peut être dimensionnée de manière à permettre le passage de la même quantité d'écoulement d'air que les trois trous ayant un diamètre de 3,0 mm de la Figure 2. L'effilage est produit par réduction de l'épaisseur de la fente depuis son entrée 116a jusqu'à sa sortie 116b. Un côté de la fente est délimité par la surface extérieure de la paroi du tube à flamme 100 et le côté opposé est délimité par une surface en pente du bossage, l'angle entre les deux surfaces opposées étant dans la plage allant de 100 à 30°, et de préférence étant d'environ 20°. La fente produit un écoulement en forme de feuille 118 sur la pointe de la bougie d'allumage 104 qui purifie la face 117 de la pointe pour enlever les grosses gouttelettes de carburant, et évite de heurter le bord de la paroi du tube à flamme. En outre, l'écoulement en forme de feuille 118 se combine de manière satisfaisante avec le film d'air de refroidissement en amont 120, produit par des trous d'effusion inclinés dans la paroi du tube à flamme, pour créer un film d'air de refroidissement en aval amélioré 122 à travers le côté chaud de la paroi du tube à flamme. La Figure 6 représente une coupe transversale schématique à travers l'ensemble d'allumage (la coupe transversale sans la fente 116). Le bossage d'allumage 114 est formé en deux parties, ayant une partie formant fente intérieure 114a, et une partie de capuchon extérieur 114b ayant un évidement pour un joint d'étanchéité flottant 126 pour la bougie d'allumage 104. Les deux parties sont soudées par points ensemble à des emplacements espacés de manière circonférentielle à la position A. Une rondelle de retenue 124 est soudée à la partie extérieure 114b à une position B pour retenir le joint d'étanchéité flottant 126. La Figure 7 représente des vues en perspective des deux parties du bossage 114 (a) avant et (b) après leur soudage ensemble. La largeur de la fente 116 est définie par l'espacement entre deux parois opposées 128 fournies par la partie intérieure 114a, une paroi incurvée 130 reliant les parois opposées 128 ensemble. La surface en pente qui produit l'épaisseur amincie de la fente est fournie par une saillie 132 à partir de la partie extérieure 114b, la saillie s'insérant entre les parois opposées 128 lorsque les deux parties sont assemblées. Des soudures entre les bossages d'allumage et les tubes à flamme peuvent être sensibles à la fissuration, à la fois au cours du soudage et en service, ce qui peut à son tour compromettre l'adhésion de TBC (le TBC étant appliqué à l'intérieur du tube à flamme avant le soudage en place du bossage d'allumage). Le délaminage de TBC au cours du soudage peut provoquer la purification d'un tube à flamme, et le délaminage de TBC en service permet à un tube à flamme de ne pas atteindre la totalité de la durée de vie. Commodément, le bossage d'allumage 114 peut être soudé en angle à la paroi du tube à flamme 100 le long des longueurs des deux parois opposées 128. De cette manière, la fente 116 peut réduire la masse thermique du bossage au voisinage des soudures par rapport à la masse thermique d'un bossage ayant des trous de refroidissement du type décrit en relation aux Figures 2 et 3. En conséquence, moins d'énergie thermique est nécessaire pour produire les soudures, ce qui réduit la probabilité de délaminage de TBC au cours du soudage. Quant à la fissuration de soudure en service, cela est dû 302 7 7 4 1 8 à des contraintes créées par une dilatation thermique différentielle entre le bossage d'allumage et le tube à flamme ; le bossage étant à la température de distribution d'air comprimé, tandis que le tube à flamme est beaucoup plus chaud en raison du transfert de chaleur du processus de combustion. La fente 5 116 peut créer un écoulement d'air important à grande vitesse dans la fente sur la surface extérieure de la paroi du tube à flamme 100, qui peut améliorer le refroidissement de la paroi pour réduire la température de la paroi du tube à flamme entre les soudures au tube à flamme. Par conséquent, la différence de température entre le bossage et la paroi du tube à flamme entre les soudures 10 peut être réduite, ce qui diminue les contraintes dans la soudure et réduit la probabilité de délaminage de TBC. Les parois 128 en regard de la partie intérieure 114a du bossage peuvent être réalisées aussi minces que possible pour réduire la masse thermique et augmenter la flexibilité de la paroi pour recevoir la dilatation 15 thermique (réduite) entre les parois opposées 128 et la paroi du tube à flamme. Les soudures par points entre les deux parties du bossage 114 permettent également aux parois opposées 128 de fléchir. Typiquement, l'usure due à une décharge électrique associée à la bougie d'allumage se produit entre le bossage 114 et le joint d'étanchéité flottant 126, 20 par exemple à la position C indiquée dans la Figure 6. Le bossage peut être remplacé lorsque l'épaisseur de bossage devient trop mince risquant le détachement du joint d'étanchéité flottant du bossage. Avec un bossage monobloc, un tel remplacement risque le délaminage de TBC au cours du soudage. Cependant, avantageusement, le bossage à deux parties permet à la 25 partie extérieure 114b du bossage d'être retirée et remplacée tandis que la partie intérieure 114a reste soudée en place à la paroi du tube à flamme 100. Par exemple, le retrait peut être effectué par meulage des soudures par points locales à la position A. Une nouvelle partie extérieure 114b, une rondelle de retenue 124 et un joint d'étanchéité flottant 126 peuvent alors être installés, la 30 partie intérieure 114a fournissant commodément une référence de centrage. En résumé, l'ensemble d'allumage résout un nombre de problèmes qui limitent la durée de vie du tube à flamme. Ceux-ci sont : - Le délaminage de TBC et la fissuration de métal résultant du soudage du bossage d'allumage à la paroi du tube à flamme, 35 - Le délaminage de TBC et la fissuration de métal provoqués par des points chauds de la paroi du tube à flamme en aval du bossage d'allumage, - La fissuration de soudure entre le bossage d'allumage et la paroi du tube à flamme, et - L'usure du bossage d'allumage adjacent au joint d'étanchéité flottant. De plus, par purification efficace de la face de la pointe de la bougie d'allumage, l'ensemble peut aider à empêcher la pénétration du carburant dans l'ensemble où il peut causer la cokéfaction et les courts-circuits internes. En outre, la construction à deux parties préférée pour le bossage d'allumage permet à la partie extérieure du bossage d'être retirée et remplacée au besoin, tandis que la partie intérieure reste soudée à la paroi du tube à 10 flamme. Bien que l'invention ait été décrite conjointement avec les modes de réalisation exemplaires décrits ci-dessus, de nombreuses modifications et variations équivalentes apparaîtront à l'homme du métier lorsque cette description est donnée. Par exemple, l'ensemble d'allumage peut être appliqué 15 à d'autres types de chambre de combustion, par exemple avec un seul tube à flamme annulaire tel que celui couramment utilisé pour la propulsion des aéronefs. Comme autre exemple, la fente ne doit pas être rectangulaire sur sa section transversale d'écoulement, mais peut être par exemple, convexe, concave ou même ondulée. Les avantages d'une forme donnée (comme la 20 purification de la pointe d'allumage améliorée, ou un film d'air plus uniforme en aval du bossage) peuvent être établis par les tests de composants et/ou la dynamique computationnelle des fluides. En conséquence, les modes de réalisation exemplaires de l'invention présentés ci-dessus sont considérés comme étant illustratifs et non limitatifs. 25 Diverses modifications dans les modes de réalisation décrits peuvent être apportées sans s'écarter de l'étendue de l'invention revendiquée. REVENDICATIONS1. Ensemble d'allumage pour un système de combustion d'un moteur à turbine à gaz, l'ensemble d'allumage comportant : une bougie d'allumage (104) ayant une pointe qui, en cours d'utilisation, est située au niveau d'une ouverture dans une paroi d'un tube à flamme (100) du système de combustion de sorte que la pointe puisse fournir une décharge électrique pour allumer un mélange air-carburant dans le tube à flamme ; et un bossage d'allumage essentiellement annulaire (114) qui se trouve sur la paroi du tube à flamme au niveau de l'ouverture pour encercler la pointe ; dans lequel le bossage d'allumage a une fente (116) formée dedans au niveau d'un côté de la pointe, une entrée (116a) de la fente recevant de l'air de l'extérieur du tube à flamme et une sortie (116b) de la fente distribuant l'air sous forme d'écoulement en forme de feuille (118) sur la pointe, la fente étant effilée de sorte que l'épaisseur de la fente se rétrécisse depuis son entrée jusqu'à sa sortie et la fente ayant une épaisseur définie par des surfaces opposées. 2. Ensemble d'allumage selon la revendication 1, dans lequel la fente est effilée de sorte que les surfaces opposées définissant l'épaisseur de la fente forment un angle entre elles d'au moins 100 . 3. Ensemble d'allumage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la fente est effilée de sorte que les surfaces opposées définissant l'épaisseur de la fente forment un angle entre elles d'au plus 30°. 4. Ensemble d'allumage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les surfaces opposées définissant l'épaisseur de la fente représentent une surface extérieure de la paroi du tube à flamme et une 25 surface en pente du bossage. 5. Ensemble d'allumage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fente est agencée de sorte que l'écoulement en forme de feuille, après le passage à travers la pointe, forme un film d'air de refroidissement (122) sur la partie intérieure de la paroi du tube à flamme sur le 30 côté de la pointe opposé à la fente. 6. Ensemble d'allumage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bossage est une construction en deux parties ayant une partie intérieure (114a) à proximité de la pointe et formant la fente, et une partie extérieure (114b) maintenant un joint d'étanchéité (126) pour la bougie 35 d'allumage. 7. Ensemble d'allumage selon la revendication 6, dans lequel les parties intérieure et extérieure sont soudées par points ensemble. 8. Système de combustion (22) d'un moteur à turbine à gaz, le système de combustion ayant un ou plusieurs tube(s) de flammes, où chaque tube à flamme a un ou plusieurs ensemble(s) d'allumage selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Système de combustion selon la revendication 8, dans lequel le ou chaque bossage d'allumage est soudé à son tube à flamme au niveau des côtés opposés de sa fente. 10. Système de combustion selon la revendication 8 ou 9, dans lequel les parties intérieures des parois des tubes à flamme ont des revêtements formant barrières thermiques. 11. Système de combustion selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel les bossages d'allumage sont cachés derrière les parois des 15 tubes à flamme pour les protéger du mélange air-carburant de combustion dans les tubes à flamme. 12. Moteur à turbine à gaz (10) ayant un système de combustion selon l'une quelconque des revendications 8 à 11.