Brevet FR3094777A1 — publié le 20201009

Description Titre de l'invention : Chambre de combustion principale de turboréacteur équipée d'une grille en aval de ses bruleurs Domaine technique [0001] L'invention concerne une chambre de combustion d'une turbomachine telle qu'un moteur de type turboréacteur. Technique antérieure [0002] Dans un tel moteur 1 visible en figure 1, l'air est admis dans unc manche d'entrée 2 pour traverser une soufflante 3 comportant une série de pales rotatives avant de se scinder en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire. [0003] Le flux primaire est ensuite compressé dans un compresseur basse pression 4 et dans un compresseur haute pression 6 avant d'arriver dans une chambre de combustion 7, après quoi il est détendu à travers une turbine haute pression 8 et une turbine basse pression 9 avant d'être évacué vers l'arrière. Le flux secondaire est quant à lui propulsé directement vers l'arrière par la soufflante dans une veine délimitée par le carter 11. [0004] Dans un tel moteur, la chambre de combustion 7, dont un secteur est représenté sur la figure 2, est délimitée à son amont par un fond annulaire 12 qui est prolongé vers l'aval par une virole radialement interne 13 et par une virole radialement externe 14. L'espace interne ainsi délimité, encore appelé tube à flamme, est alimenté en air et en carburant à travers des bruleurs portés par son fond pour être le siège de la combustion. [0005] Cette chambre 7 est située à l'intérieur d'une enveloppe 16 délimitée par un carter ra- dialement interne 17 et par un carter radialement externe 18 qui sont espacés radialement respectivement de la virole interne 13 et de la virole externe 14, pour délimiter avec ces viroles un espace intermédiaire 19. [0006] L'espace intermédiaire 19 entoure la chambre de combustion et est alimenté en air pour assurer l'admission d'air de combustion, d'une part à travers le fond 12 conjointement avec le carburant par les bruleurs 21, mais également à travers des trous primaires 22 et des trous secondaires 23. Ces trous traversent les viroles 13 et 14 en aval d'une région de formation de la flamme, les trous primaires 22 étant plus proches de la flamme que les trous secondaires 23. [0007] L'injection d'air additionnel via les trous 22 et 23 permet de limiter la production de polluants tels que Nox, Co, Chx ou des suies, et d'abaisser la température des gaz en sortie de chambre de combustion, pour qu'elle soit compatible avec les éléments de turbine haute pression que ces gaz traversent ensuite. [0008] En pratique, la pression régnant dans l'espace intermédiaire 19 est supérieure à celle régnant dans la chambre de combustion 7, de sorte que l'air pénètre spontanément dans 2 la chambre de combustion depuis l'espace intermédiaire 19, via les trous 22 et 23. [0009] Mais comme représenté schématiquement sur la figure 3, chaque jet d'air J admis à travers un trou primaire 22 modifie significativement le champ des températures, en donnant lieu notamment à une poche 24 à température élevée localisée immédiatement à son aval. Cette poche de température correspond en outre à des imbrulés, c'est-à-dire qu'elle correspond à une perte d'efficacité de la combustion. [0010] Par ailleurs, les gaz sortant de la chambre de combustion ont une température rela- tivement basse au voisinage des viroles mais une température maximale en partie centrale, c'est-à-dire à mi-distance entre ces viroles. Or cette température maximale est celle qui conditionne le dimensionnement thermique d'aubes fixes redresseuses situées entre la chambre de combustion et la turbine haute pression. [0011] Autrement dit, le profil de températures T° des gaz sortant de la chambre de combustion, qui est représenté sur le graphe de la figure 4, est trop hétérogène. Idéalement si la température des gaz était homogène depuis la virole interne jusqu'à la virole externe, la température maximale serait plus basse à combustion identique ce qui simplifierait le dimensionnement thermique des aubes redresseuses situées en aval de la chambre de combustion et de la turbine haute pression. [0012] Le but de l'invention est d'apporter une solution pour homogénéiser la combustion dans la chambre de combustion, afin d'optimiser le rendement et d'uniformiser la température des gaz de combustion. Exposé de l'invention [0013] A cet effet, l'invention a pour objet une chambre de combustion de turbomachine, ayant une forme annulaire délimitée par un fond annulaire prolongé par une virole radialement interne et par une virole radialement externe caractérisée en cc qu'elle comporte au moins un tube alimenté en air et comprenant des trous d'injection d'air, qui est situé entre la virole radialcment interne et la virole radialement externe. [0014] Avec cette solution, de l'air est réinjecté de façon maîtrisée dans la chambre de combustion, de façon à améliorer la maîtrise de la répartition de température et du mélange dans cette chambre. [0015] L'invention concerne également une chambre de combustion ainsi définie, comprenant un tube circonférentiel alimenté en air et comprenant des trous d'injection d'air, qui s'étend sur toute l'étendue annulaire de la chambre de combustion. [0016] L'invention concerne également une chambre de combustion ainsi définie, comprenant des tubes radiaux, s'étendant chacun depuis le tube circonférentiel vers une virole pour maintenir ce tube circonférentiel. [0017] L'invention concerne également une chambre de combustion ainsi définie, comportant des tubes radiaux assurant l'alimentation en air du tube circonférentiel. 3 100181 L'invention concerne également une chambre de combustion ainsi définie, comportant des tubes radiaux pourvus de trous d'injection d'air. [0019] L'invention concerne également une chambre de combustion ainsi définie, comportant un anneau externe entourant la virole radialcment externe, et un anneau interne entouré par la virole interne, et dans lequel le tube circonférentiel est maintenu par des crochets de fixation à l'anneau externe et à l'anneau interne. [0020] L'invention concerne également unc chambre de combustion ainsi définie, dans laquelle chaque tube radial est terminé par un crochet de fixation à un anneau. [0021] L'invention concerne également unc chambre de combustion ainsi définie, dans laquelle au moins un tube présente un profil circulaire ou triangulaire ou de type NACA. [0022] L'invention concerne également unc chambre de combustion ainsi définie, comprenant au moins un tube en matériau composite à matrice céramique ou de type carbone/carbone. [0023] L'invention a également pour objet un turboréacteur comportant une chambre de combustion ainsi définie. Brève description des dessins [0024] [fig.1] est une vue schématique en coupe longitudinale d'un turboréacteur connu ; [0025] W8.21 est une vue en perspcctivc d'un secteur de chambre de combustion connue ; [0026] [fig.3] est un diagramme illustrant le profil de température des gaz dans chambre de combustion ; [0027] [fig.4] est un graphe représentant la distribution des températures des gaz en sortie de la chambre de combustion depuis la virole interne jusqu'à la virole externe ; [0028] W8.51 est une vue en perspcctivc d'un secteur de chambre de combustion selon un premier mode de réalisation de l'invention ; [0029] [fig.6] est une vue en perspcctivc d'un secteur de chambre de combustion selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; [0030] [fig.7] est une vue en coupe longitudinale d'une fixation du tube circonférentiel selon un troisième mode de réalisation der invention ; [0031] [fig.8] est une vue en coupe transversale de la fixation du tube circonférentiel selon le troisième mode de réalisation de l'invention. Description des modes de réalisation 100321 La chambre de combustion 26 selon l'invention, dont un secteur est représenté sur la figure 5, comporte un fond annulaire 27 ayant une forme générale de couronne annulaire, dont le bord intérieur est prolongé par une virole radialement interne 28, et dont le bord extérieur est prolongé par une virole radialement externe 29. 100331 Ces viroles 28 et 29 ont des formes approximativement cylindriques, elles sont coaxiales et s'étendent par rapport au fond 27 vers l'aval AV selon la direction de circulation du fluide traversant la chambre 26. [0034] Cette chambre de combustion 26 s'étend entre un carter radialcment interne 31 et un carter radialement externe non représenté, qui sont agencés de manière connue pour délimiter avec la chambre de combustion 26 proprement dite, un espace intermédiaire 32 assurant l'alimentation en air. [0035] Le fond 27 porte des brûleurs 33 par lesquels est acheminé d'une part du carburant et d'autre part l'essentiel du flux d'air traversant la chambre, de manière à établir dans cette chambre 26 une flamme entretenue par des bougies non représentées. [0036] Selon l'invention, la chambre 26 est équipée de tubes qui la traversent pour in- troduire de l'air en aval des brûleurs de façon répartie sur toute la hauteur de la chambre, de manière à homogénéiser la température des gaz sortant de cette chambre de combustion. [0037] Comme représenté sur la figure 5, la chambre de combustion 26 comporte un tube circonférentiel 34 situé à mi-distance entre la virole interne 28 et la virole externe 29, en étant situé en aval des brûleurs 33, de manière à être sensiblement au centre de la flamme selon la direction radiale. Ce tube 34 est alimenté en air, et il comporte des trous d'injection 36 traversant situés dans la partie portion aval de sa paroi pour injecter cet air dans la région radialement centrale de la chambre de combustion 26, de manière à diminuer la température des gaz de combustion situés dans cette partie centrale. [0038] Dans l'exemple de la figure 5, la chambre 26 est également équipée de tubes radiaux 37 et 38 par lesquels le tube circonférentiel 34 est maintenu, et grâce auxquels ce tube 34 est alimenté en air. L'ensemble formé par le tube circonférentiel 34 et les tubes radiaux 37 et 38 constitue ainsi une grille à l'intérieur de la chambre de combustion, qui est située en aval des brûleurs 33 et orientée selon un plan normal à l'axe longitudinal du moteur. [0039] Plus particulièrement, le tube radial externe 37, qui est orienté radialement par rapport à l'axe longitudinal du moteur, comporte une extrémité externe 39 fixée à la face radialement interne de la virole externe 29. Complémentairement, cette virole externe 29 comporte un trou d'alimentation 41 qui la traverse au niveau de l'extrémité 39 pour permettre l'admission d'air dans ce tube 37, depuis l'espace intermédiaire 32 entourant la chambre de combustion 26. [0040] Ce tube 37 comporte une extrémité interne 43 par laquelle il est raccordé et ri- gidement solidarisé au tube circonférentiel 34, de manière à conjointement assurer le maintien de ce tube 34 et son alimentation en air provenant de l'espace intermédiaire 32. [0041] De manière analogue, le tube radial interne 38 est lui aussi orienté radialement, en s'étendant dans le prolongement du tube 37. Il comporte une extrémité interne 44 par laquelle il est fixé à la virole interne 28 qui est pourvue, au droit de cette extrémité 44, d'un trou non visible sur la figure par lequel est assurée l'alimentation en air provenant de l'espace intermédiaire 32. L'extrémité externe 46 de ce tube 38 est elle aussi raccordée au tube circonférentiel 34 pour assurer son maintien et son alimentation en air. [0042] Complémentairement, les tubes 37 et 38 comportent, tout comme le tube 34, des trous à leur côté aval pour injecter dans la chambre 26 de l'air provenant de l'espace intermédiaire 32. [0043] Dans l'exemple de la figure 5, les tubes 34, 37 et 38 sont des tubes à section circulaire, mais ces tubes peuvent aussi être des tubes ayant une section de toute autre forme, comme par exemple une section en forme de profil aérodynamique de type NACA ou en forme de U (type accroche flamme) comme des bras de post-combustion de tuyère. [0044] Dans l'exemple de la figure 6, les tubes 34, 37 et 38 qui constituent la grille sont des tubes à section triangulaire. Chaque tube est orienté de telle sorte qu'il présente une arête en vis-à-vis du fond 27, et une face principale opposée à cette arête dans laquelle sont formés les trous d'injection d'air. Cette face principale est orientée selon un plan normal à l'axe longitudinal du moteur et elle est située en aval de l'arête opposée qui est en vis-à-vis du fond 27. [0045] En ce qui concerne les trous d'injection d'air, à savoir les trous 36, ils peuvent avoir toute forme appropriée : circulaire, ovale, fente ou autre, et ils peuvent être répartis régulièrement le long des tubes dans lesquels ils sont formés, ou bien répartis de manière inégale afin d'optimiser l'injection d'air dans la chambre pour y optimiser la température. [0046] Avantageusement, les tubes sont pourvus de trous ou fentes d'injection au voisinage des parois délimitant la chambre de combustion, c'est-à-dire des viroles interne et externe, de façon à limiter l'échauffement de ces éléments. [0047] Par ailleurs, l'ensemble des tubes 34, 37 et 38 formant grille est situé en aval du fond 27 et à faible distance de celui-ci, à une position longitudinale correspondant à celle des trous primaires connus de l'Etat de la technique. Cet ensemble peut également être positionné plus en aval dans la chambre, c'est-à-dire à une plus grande distance du fond, pour correspondre aux trous secondaires de l'Etat de la technique. [0048] Dans l'exemple des figures 4 à 6, les tubes radiaux ont leurs extrémités directement fixées à la virole interne et à la virole externe, mais compte tenu des conditions sévères régnant dans la chambre de combustion, d'autres moyens de fixation peuvent être envisagés, comme illustré sur les figures 7 et 8. [0049] Dans cette autre solution de fixation des tubes radiaux, un anneau circonférentiel 6 externe 47 est monté dans l'espace intermédiaire 32 entre la virole externe 29 et le carter radialement externe qui est repéré par 48 sur la figure 7. Cet anneau 47 est maintenu par une série de pattes radiales portées par le carter externe 48, une telle patte, repérée par 49, étant représentée sur les figures 7 et 8. [0050] Cette patte 49 comporte une extrémité incurvée 51 qui entoure au moins une portion radialement interne de la section de l'anneau 47 de manière à pouvoir exercer sur celui-ci un effort de traction orienté radialement vers l'extérieur. Cette extrémité incurvée est prolongée par une tige rectiligne 52, orientée radialement et filetée dans la région de son extrémité radialement externe. Complémentairement, le carter externe 48 comporte au niveau de la patte 49 un trou fileté dans lequel est vissé un bouchon 53 comprenant un trou traversant central lui-même fileté et orienté radialement permettant le montage du crochet. [0051] La tige 52 de la patte 49 est ainsi fixée au carter externe 48 en étant vissée dans le bouchon 53 de manière à dépasser de la face externe de ce bouchon pour recevoir un contre-écrou 54. La patte 49 est ainsi rigidement solidarisée au carter externe 48 tout en dépassant de la face interne de ce carter pour que son extrémité incurvée 51 s'étende dans l'espace intermédiaire 32. [0052] Le tube radial externe 37 comporte quant à lui une extrémité radiale externe 39 qui traverse le trou 41 formé dans la virole externe 29 au droit de l'emplacement de cc tube 37. Comme visible sur la figure 7, cette extrémité 39 est ouverte sensiblement à hauteur du trou 41 pour admettre l'air à injecter dans la chambre de combustion 26, mais elle est aussi prolongée par une languette 56 ayant une extrémité incurvée formant un crochet 57 s'étendant jusqu'à l'anneau 47 pour entourer une portion radialement externe de la section de cet anneau. [0053] Un jeu radial suffisant est prévu entre le trou 41 et le tube qui le traverse pour autoriser les dilatations différentielles auxquelles le système est sujet au cours de la vie du moteur. [0054] Complémentairement, le crochet 57 prolongeant le tube 37 est rigidement solidarisé à l'anneau 47 par deux vis 58 et 59 qui le traversent en étant vissées dans la paroi de cet anneau 47. [0055] Selon cet autre montage, la grille formée par les tubes 34, 37 et 38 s'étend dans la chambre de combustion, mais elle est maintenue en étant fixée par les tubes radiaux 37 et 38 aux anneaux qui sont montés de part et d'autre de cette chambre de combustion. [0056] D'une manière analogue, un autre anneau, non représenté, est monté dans la partie de l'espace intermédiaire 32 s'étendant entre la virole interne 28 et le carter interne 31. Cet autre anneau est fixé au carter interne 31, lui aussi par des pattes radiales vissées dans des bouchons engagés dans des trous con-espondants formés dans le carter interne 31. Les extrémités internes 44 des tubes radiaux internes 38 sont terminées par des 7 crochets fixés à cet autre anneau par exemple par des vis. [0057] Cet autre montage permet notamment une meilleure tenue aux dilatations diffé- rentielle auxquelles sont sujets les composants de la chambre de combustion et de son environnement, ces dilatations différentielles résultant en particulier de la forte amplitude des fluctuations thermiques auxquelles ces éléments sont soumis durant la vie du moteur. [0058] D'une manière générale, l'invention permet de tirer parti des matériaux qui sont aujourd'hui compatibles avec les hautes températures, pouvant être de type CMC, c'est-à-dire à matrice céramique ou bien de type carbone/carbone pour former un tubage permettant de réinjecter de façon maîtrisée l'air dans la chambre de combustion afin d'homogénéiser la combustion dans son espace interne. [0059] L'homogénéisation de la combustion permet de réduire les poches d'imbrulés et d'uniformiser la température dans la chambre de combustion, ce qui permet à la fois d'en améliorer le rendement et d'en abaisser la température maximale. Le tubage ajouté assure par ailleurs une fonction dite d'accroche flamme contribuant elle aussi à l'homogénéité de la combustion. [0060] Grâce à la maîtrise de l'injection d'air dans la chambre de combustion, la richesse de cette combustion peut être augmentée, ce qui permet de réduire la taille de cette chambre de combustion. Par ailleurs, le risque de présence d'imbrûlés parmi les gaz sortant de la chambre est diminué, ce qui réduit le risque de combustion en aval de la chambre de combustion, et contribue par ailleurs à réduire le temps de démarrage. 8 REVENDICATIONS[Revendication 1] Chambre de combustion (26) de turbomachine, ayant une forme annulaire délimitée par un fond annulaire (27) prolongé par une virole radialement interne (28) et par une virole radialement externe (29), caractérisée en cc qu'elle comporte au moins un tube (34, 37, 38) alimenté en air et comprenant des trous (36) d'injection d'air, qui est situé entre la virole radialement interne (28) et la virole radialement externe (29). [Revendication 2] Chambre de combustion selon la revendication 1, comprenant un tube circonférentiel (34) alimenté en air et comprenant des trous (36) d'injection d'air, qui s'étend sur toute l'étendue annulaire de la chambre de combustion. [Revendication 3] Chambre de combustion selon la revendication 2, comprenant des tubes radiaux (37, 38), s'étendant chacun depuis le tube circonférentiel (34) vers une virole (28, 29) pour maintenir ce tube circonférentiel (34). [Revendication 4] Chambre de combustion selon la revendication 3, comportant des tubes radiaux (37, 38) assurant l'alimentation en air du tube circonférentiel (34). [Revendication 5] Chambre de combustion selon la revendication 4, comportant des tubes radiaux (37, 38) pourvus de trous (36) d'injection d'air. [Revendication 6] Chambre de combustion selon la revendication 2, comportant un anneau externe (47) entourant la virole radialement externe (29), et un anneau interne entouré par la virole interne (28), et dans lequel le tube circonférentiel (34) est maintenu par des crochets (57) de fixation à l'anneau externe (47) et à l'anneau interne. [Revendication 7] Chambre de combustion selon les revendications 3 et 6, dans laquelle chaque tube radial (37, 38) est terminé par un crochet (57) de fixation à un anneau (47). [Revendication 8] 8. Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle au moins un tube (34, 37, 38) présente un profil circulaire ou triangulaire ou de type NACA. [Revendication 9] 9. Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins un tube (34, 37, 38) en matériau composite à matrice céramique ou de type carbone/carbone. [Revendication 10] 10. Turboréacteur comportant une chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes.