Brevet FR3090747A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Chambre de combustion d'une turbomachine Domaine de l'invention [0001] La présente invention concerne le domaine des turbines à cycle régénératif destinées notamment à la production d'énergie électrique ou mécanique embarquée à partir de carburants pour véhicules aéronautiques, terrestres, maritimes et unités mobiles légères. [0002] Une turbine est composée de trois éléments : [0003] - un compresseur, qui a pour rôle de comprimer de l'air ambiant à une pression comprise entre 2 et 30 bars environ ; [0004] - une chambre de combustion, dans laquelle un combustible est injecté sous pression, puis brûlé avec l'air comprimé, avec un fort excès d'air afin de limiter la température des gaz d'échappement ; [0005] - une turbine axiale dans laquelle sont détendus les gaz qui sortent de la chambre de combustion. [0006] Dans une turbine à cycle régénératif, les gaz d'échappement sortent de la turbine à des températures élevées (supérieures à 500°C), alors que la température de l'air sortant du compresseur est plus basse (typiquement entre 200°C et 400°C), avec une circulation à travers un échangeur de chaleur inséré entre les gaz d'échappement et l'air comprimé permettant de réchauffer partiellement l'air avant entrée dans la chambre de combustion, ce qui permet de réduire la consommation de combustible. [0007] L'invention concerne plus particulièrement la chambre de combustion et l'injection de combustible dans la chambre de combustion. Etat de la technique [0008] La demande de brevet européen EP1285161A4 décrit un exemple d'échangeur annulaire comprenant un bâti et une enveloppe entourant le bâti et définissant une chambre de récupérateur. Cette chambre reçoit une pluralité d'éléments récupérateurs fermés et d'éléments récupérateurs ouverts en développante. [0009] La demande de brevet internationale W02018096233 décrit une turbomachine comprenant un échangeur thermique annulaire, formé par un assemblage de tubes indépendant assemblés par des moyens de maintien, et présentant une cavité cylindrique s'ouvrant d'une part sur la sortie de la turbine, l'assemblage de tubes étant logé dans ladite cavité. L'échangeur thermique est constitué par un premier faisceau annulaire et au moins un deuxième faisceau annulaire, coaxial audit premier faisceau annulaire. [0010] Le brevet américain US5966926 décrit une solution d'injection de carburant liquide pour une turbine munie d'un échangeur de chaleur. L'injecteur de carburant est monté à 2 l'intérieur d'un tube de soufflage d'air annulaire et dirigé de manière tangentielle sur la paroi interne de la chambre de combustion. [0011] La demande de brevet W02013002669A1 décrit une chambre de combustion qui comprend une chambre de combustion, une doublure entourant au moins une partie de la chambre de combustion et un manchon d'écoulement entourant au moins une partie de la doublure. Un passage annulaire est entre la doublure et le manchon d'écoulement, et un injecteur de carburant est situé au moins partiellement dans le passage annulaire et s'étend à travers la doublure dans la chambre de combustion. L'injecteur de carburant comprend un tube externe, un tube interne à l'intérieur du tube externe et un passage d'écoulement entre le tube interne et le tube externe. [0012] Le brevet américain US9803555 décrit un autre exemple de système d'alimentation en carburant pour une chambre de combustion à turbine à gaz. Le système d'alimentation en carburant comprend un tube à carburant et un ensemble de fixation. Le tube de carburant s'étend d'un injecteur en aval vers un anneau de montage de la chambre de combustion et est fixé de manière mobile à l'anneau de montage à l'aide de l'ensemble de fixation. En conséquence, le système d'alimentation en carburant donné peut fournir du carburant à un injecteur en aval tout en permettant une dilatation ou une contraction thermique du tube de carburant dans une direction axiale de la chambre de combustion. [0013] Inconvénients de l'art antérieur [0014] Le problème posé par les solutions de l'art antérieur concerne les turbines présentant une chambre de combustion isolée de l'extérieur par une double paroi, deux parois définissant un conduit annulaire pour la circulation d'un flux d'air comprimé issue du compresseur et la troisième paroi étant la paroi extérieure de la chambre de combustion, permettant la circulation du même flux d'air réchauffé préalablement à la traversée d'un échangeur thermique. Le ou les injecteurs doivent traverser les trois parois de manière étanche ou à tout le moins avec une fuite contrôlée. Cela se traduit par un montage hyperstatique qui ne permet pas d'absorber les dilatations thermiques longitudinales de l'injecteur, ni les dilatations thermiques radiales et longitudinales des parois métalliques soumises à des températures fortement différenciées. [0015] Solution apportée par l'invention [0016] Afin de répondre à ce problème, la présente invention concerne une chambre de combustion d'une turbomachine, entourée de deux parois de révolution coaxiales s'étendant l'une à l'intérieur de l'autre et délimitant entre elles un espace annulaire de circulation d'air,et un second espace de circulation d'air délimité par la paroi de révolution de plus petit diamètre et la paroi extérieure de la chambre de combustion, et un au moins un injecteur traversant lesdites parois par des lumières, caractérisée en ce que l'injecteur comporte un tube périphérique relié auxdites parois par trois liaisons, 3 deux liaisons au moins étant des liaisons souples étanches permettant un débattement multidirectionnel, par exemple de type glissière ou/et de type rotule ou de type soufflet. [0017] On entend par « soufflet » au sens du présent brevet une enveloppe étanche, de- formable au moins axialemcnt et radialemcnt, et optionnellement en torsion ou en basculement. [0018] Selon des variantes de réalisation : [0019] - l'une seulement desdites trois liaisons est constituée par un assemblage étanche rigide [0020] - la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intérieure est constituée par une liaison linéaire annulaire avec une fuite contrôlée par section annulaire calibrante [0021] - la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intermédiaire est constituée par un soufflet [0022] - la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi extérieure du fourreau est constituée par un soufflet [0023] - la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intermédiaire du fourreau est constituée par une liaison rotule et la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi extérieure du fourreau est constituée par une liaison rotule glissante [0024] - la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi extérieure du fourreau est constituée par une liaison rotule glissante et la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intermédiaire du fourreau est constituée par une liaison rotule. [0025] L'invention concerne aussi une turbine présentant une telle chambre de combustion. [0026] Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention [0027] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins annexés où : [0028] [fig.1] la figure 1 représente une vue en coupe d'une turbomachine selon l'invention [0029] [fig.2] [0030] [fig.3] [0031] [fig.4] [0032] [fig.5] les figures 2 à 5 représentent des vues schématiques de différentes variantes de réalisation. [0033] Description de l'échangeur [0034] La figure 1 représente une vue en perspective de la turbomachine, comprenant un échangeur (1), un compresseur (2), une chambre de combustion (3) et une turbine (4). Un déflecteur conique (11) coaxial avec l'échangeur (1) fait circuler les gaz chauds issus de la turbine (4) en direction d'une sortie d'évacuation (12) après avoir traversé l'échangeur (2), en traversant deux cassettes (5, 6) entre les tubes. [0035] Les parties constituées par le compresseur (2), la chambre de combustion (3) et la turbine (4) sont connues de l'homme du métier, et conformes à l'état des connaissances en matière de turbomachines. [0036] L'échangeur (2) est constitué par un échangeur à tubes, comprenant deux cassettes annulaires (5, 6) coaxiales. [0037] La cassette extérieure (5) est constituée par un assemblage de tubes parallèles, en alliage métallique résistant aux hautes températures, par exemple de l'acier inoxydable réfractaire 347. [0038] A titre d'exemple, cette cassette extérieure (5) est constituée de 2000 tubes d'une longueur de 300 millimètres, d'une section intérieure de 2,8 millimètres et de section extérieure de 3 millimètres. Les tubes sont maintenus de manière connue par des intercalaires pour définir des passages des gaz chauds provenant de la turbine. [0039] Les tubes forment un manchon d'un rayon extérieur de 158 millimètres et d'un rayon intérieur de 128 millimètres. [0040] La cassette intérieure (6) est constituée de 2000 tubes d'une longueur de 300 mil- limètres, d'une section intérieure de 2,8 millimètres et de section extérieure de 3 millimètres. [0041] Les tubes forment un manchon d'un rayon extérieur de 123 millimètres et d'un rayon intérieur de 67 millimètres. [0042] Les deux cassettes (5, 6) sont coaxiales et encastrée l'une dans l'autre. [0043] Ces deux cassettes (5, 6) sont réunies, à l'extrémité opposées au compresseur (1), par une structure de fermeture annulaire (8). [0044] Chacune des cassettes (5, 6) comporte, à chaque extrémité, une plaque d'étanchéité frontale percée pour le passage des tubes, et assurant l'entraxe constant des tubes. Les tubes sont brasés ou souciés pour assurer l'étanchéité au niveau de leur raccordement avec les plaques frontales. [0045] Cette structure de fermeture (8) est constituée de deux pièces coaxiales emboîtées, présentant la forme générale d'un moule à baba au rhum, en acier inoxydable réfractaire 347 d'une épaisseur de 2 millimètres. [0046] La pièce extérieure (9) présente une section extérieure correspondant à la section ex- térieure de la cassette extérieure (5) et une section intérieure correspondant à la section intérieure de la cassette intérieure (6). [0047] La pièce intérieure (10) présente une section extérieure correspondant à la section in- térieure de la cassette extérieure (5) et une section intérieure correspondant à la section extérieure de la cassette intérieure (6). [0048] Chacune des pièces (9, 10) présente une symétrie de révolution selon l'axe de la tur- bomachine, avec une section longitudinale constante. [0049] La structure de fermeture (8) assure la déflexion des gaz provenant de la cassette ex- térieure (5) vers les tubes constituant la cassette intérieure (6). [0050] Cette solution assure un double passage des gaz dans l'échangeur (1), ce qui augmente significativement son efficacité thermique pour un encombrement, et notamment une longueur, donné. [0051] La chambre de combustion (3) de type annulaire présente une double-enveloppe in- térieure formée par un fourreau (30) (« liner » en anglais ») et une paroi (31). Le fourreau (30) et la paroi (31) définissent un volume tubulaire de circulation du flux d'air issue de l'échangeur CI ). Une paroi extérieure (32) et la paroi 31 définissent un volume tubulaire de circulation d'air issue du compresseur (2) et allant vers l'échangeur (1). [0052] L'injecteur (35) traverse ces trois parois (30 à 32) à travers trois lumières. Les parois (30 à 32) ainsi que le tube (35) de l'injecteur sont soumis à des dilatations longitudinales et radiales. La fixation est assurée par une combinaison de liaisons évitant les situations hyperstatiques. [0053] La liaison entre le tube (35) de l'injecteur et la paroi extérieure (32) est assurée par un soufflet (36) cylindrique. [0054] La liaison entre le tube (35) de l'injecteur et la paroi intérieure (30) est assurée par un liaison glissière formée par une lumière calibrée définissant avec la surface extérieure du tube (35) un jeu annulaire calibrée. [0055] La liaison entre le tube (35) de l'injecteur et la paroi intermédiaire (31) est assurée par une liaison fixe. [0056] Première variante de réalisation [0057] La première variante de réalisation est illustrée schématiquement par la figure 2. [0058] Le tube (35) de l'injecteur traverse les trois parois (30 à 31), avec des liaisons respec- tivement : [0059] Une liaison rotule (42) pour le passage à travers la paroi extérieure (32) Une liaison rotule-glissière (41) pour le passage à travers la paroi intermédiaire (31) Une liaison libre avec un jeu périphérique calibré (40) pour le passage à travers la paroi intérieure (30). [0060] Deuxième variante de réalisation [0061] La deuxième variante de réalisation est illustrée schématiquement par la figure 3. [0062] Le tube (35) de l'injecteur traverse les trois parois (30 à 31), avec des liaisons respec- tivement : [0063] Une liaison rotule-glissière (52) pour le passage à travers la paroi extérieure (32) Une liaison rotule (51) pour le passage à travers la paroi intermédiaire (31) Une liaison libre avec un jeu périphérique calibré (50) pour le passage à travers la paroi intérieure (30). 6 [0064] Troisième variante de réalisation [0065] La troisième variante de réalisation est illustrée schématiquement par la figure 4. [0066] Le tube (35) de l'injecteur traverse les trois parois (30 à 31), avec des liaisons respec- tivement : [0067] Un soufflet (62) pour le passage à travers la paroi extérieure (32) Une liaison soudée (61) pour le passage à travers la paroi intermédiaire (31) Une liaison libre avec un jeu périphérique calibré (60) pour le passage à travers la paroi intérieure (30). [0068] Quatrième variante de réalisation [0069] La quatrième variante de réalisation est illustrée schématiquement par la figure 5. [0070] Le tube (35) de l'injecteur traverse les trois parois (30 à 31), avec des liaisons respec- tivement : [0071] Une liaison soudée (72) pour le passage à travers la paroi extérieure (32) Un soufflet tronconique métallique (71) pour le passage à travers la paroi intermédiaire (31) Une liaison libre avec un jeu périphérique calibré (70) pour le passage à travers la paroi intérieure (30). 7