Brevet FR3090746A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Tuyère de post combustion comportant une chemise à perforation obliques Domaine technique [0001] L'invention concerne le refroidissement d'un carter et d'une chemise de moteur de type turboréacteur à post combustion. Technique antérieure [0002] Dans un tel turboréacteur, l'air est admis dans unc manche d'entrée pour traverser un compresseur basse pression 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 haute pression avant d'arriver dans une chambre de combustion, après quoi il est détendu dans une turbine haute pression puis dans une turbine basse pression avant d'être évacué vers hu-rière. Le flux secondaire est quant à lui propulsé vers l'arrière sans être compressé. [0004] Complémentairement, une tuyère de post combustion située en aval de la turbine basse pression collecte les flux primaire et secondaire pour y injecter du carburant de manière à obtenir une combustion additionnelle permettant d'accroître la poussée. [0005] Pour limiter l'échauffement, la paroi de carter entourant la chambre de post combustion est doublée par une chemise interne qui délimite avec ce carter un espace intermédiaire annulaire, et une partie du flux secondaire est dirigée dans cet espace annulaire pour le ventiler. [0006] Le but de l'invention est d'apporter une solution permettant d'améliorer l'efficacité du refroidissement de la paroi de carter entourant la chambre de post combustion. Exposé de l'invention [0007] A cet effet, l'invention a pour objet une chemise de chambre de post combustion de turboréacteur, comportant une paroi ondulée de révolution autour d'un axe longitudinal, cette paroi présentant en coupe longitudinale unc tranche de forme ondulée. et ayant une face interne exposée à un flux de post combustion et une face externe exposée à un flux de refroidissement, cette paroi comprenant des trous traversés par de l'air du flux de refroidissement pour former à sa face interne un film de protection thermique. caractérisée en ce que chaque trou est orienté pour former un angle dit giratoire avec un plan longitudinal passant par l'axe longitudinal et par le trou, cet angle giratoire étant mesuré dans un plan parallèle à l'axe longitudinal et normal à cc plan longitudinal. [0008] Grâce à leur orientation giratoire, les trous génèrent à la face interne des jets qui se diffusent pour produire un film protecteur de plus grande étendue et de plus grande 2 épaisseur. [0009] L'invention concerne également une chemise ainsi définie, dans laquelle chaque trou est orienté selon un angle giratoire compris entre 50 et 90°. [0010] L'invention concerne également unc chemise ainsi définie, dans laquelle les trous ont différents diamètres, chaque trou ayant un diamètre dépendant de sa position. [0011] L'invention concerne également une chemise ainsi définie, dans laquelle les trous ont différents angles giratoires, chaque trou étant orienté selon un angle giratoire dépendant de sa position. [0012] L'invention concerne également une chemise ainsi définie, dans laquelle la face interne de la paroi est couverte d'un revêtement à haute émissivité infra-rouge. [0013] L'invention concerne également une chemise ainsi définie, dans laquelle la face interne de la paroi est couverte d'un revêtement céramique formant barrière thermique. [0014] L'invention concerne également un turboréacteur comportant une chambre de post combustion incluant une chemise ainsi définie. Brève description des dessins [0015] [fig.1] est une vue en coupe longitudinale d'un turboréacteur à post combustion dans lequel est mise en oeuvre l'invention ; [0016] [fig.2] est une vue en coupe longitudinale partielle montrant une paroi de carter avec une chemise interne selon 1' invention ; [0017] [fig.3] est une vue de détail en coupe longitudinale d'une paroi de carter avec unc chemise interne comportant des perçage selon l'invention ; [0018] [fig.4] est une vue à plat d'une portion de chemise interne de chambre de combustion selon l'invention ; [0019] [fig.51 est un graphe représentatif de la répartition des lignes de courant au voisinage de la face interne de la chemise selon l'invention ; [0020] [fig.6] est une vue à plat d'une portion de chemise interne de chambre de post combustion selon l'état de la technique ; [0021] [fig.7] est un graphe représentatif de la distribution du champ de températures au voisinage de la face interne d'une chemise selon l'état de la technique. [0022] EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0023] Sur la figure 1, le turboréacteur 1 selon l'invention comporte une manche d'entrée par laquelle l'air est admis pour traverser un compresseur basse pression 2 avant d'être scindé en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire. [0024] Le flux primaire est ensuite compressé dans un compresseur haute pression 3 avant d'arriver dans une chambre de combustion 4, après quoi il est détendu à travers une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7 avant d'être évacué vers l'arrière. Le flux secondaire est quant à lui propulsé directement vers l'arrière. 3 [0025] Cc turboréacteur est équipé en aval de la turbine 7 d'une chambre de post combustion 9, dans laquelle d'une part le flux secondaire rejoint le flux primaire, et d'autre part du carburant est injecté pour obtenir une combustion additionnelle permettant d'accroître la poussée. [0026] Pour limiter l'échauffement, la paroi du carter 8 est doublée par une chemise interne 11 qui délimite avec celui-ci un espace intermédiaire annulaire 12. Une partie du flux secondaire est dirigée dans cet espace annulaire pour le ventilier afin de limiter l'échauffement du carter 8. [0027] Cette chemise 11 a une forme générale de révolution autour de l'axe longitudinal AX du turboréacteur, cette forme est sensiblement conique dans l'exemple des figures du fait que la chambre de post combustion 9 est une tuyère convergente, mais elle pourrait aussi être cylindrique. Cette chemise 11 est ondulée, comme visible plus clairement sur la figure 2, pour accroître l'efficacité de l'échange thermique par convection entre le flux circulant dans l'espace intermédiaire 12 et la chemise 11. Cela permet d'établir une meilleure protection thermique pour le carter 8 : en abaissant la température de cette chemise, son rayonnement vers la paroi du carter 8 est réduit. [0028] Comme le montrent les figures 1 à 3, cette ondulation correspond ici à un profil de type sinusoïdal de la tranche de la paroi de la chemise lorsque celle-ci est vue en coupe longitudinale, c'est-à-dire selon un plan passant l'axe AX qui est aussi l'axe de révolution de cette chemise 11. [0029] La chemise 11 est percée d'une multitude de trous 13 représentés schématiquement par des pointillés sur la figure 3. Ces trous 13 de petite taille sont traversés par une part du flux circulant dans l'espace intermédiaire 12 pour l'injecter à la face interne de la chemise 11, de manière à former à cette face interne un film d'air frais qui réduit l'échauffement de la chemise 11, celle-ci étant directement exposée à la combustion ayant lieu dans la chambre 9. [0030] Afin d'accroître l'efficacité de ce film protecteur, chaque trou 13 est orienté de manière à former un angle par rapport au plan longitudinal passant par l'axe AX et par ce trou 13. Autrement dit, chaque trou a une orientation qui présente une composante axiale, une composante radiale, mais également une composante orthoradiale ou circonférentielle non nulle. [0031] Chaque trou a ainsi une orientation dite giratoire, caractérisée par un angle de giration Ag qui est l'angle formé par l'axe du trou avec un plan longitudinal passant par l'axe AX et par ce trou, cet angle de giration étant mesuré dans un plan parallèle à l'axe AX et normal à ce plan longitudinal. [0032] Avec cette orientation, chaque trou 13 injecte à la face interne un jet d'air ayant une orientation sensiblement tangentielle différente de l'orientation longitudinale, de sorte que ce jet d'air se diffuse à la face interne de la chemise lorsqu'il rencontre le flux de combustion qui est longitudinal. [0033] Grâce à cette diffusion, le jet d'air qui est injecté couvre une surface plus étendue à la face interne de la chemise, et il constitue à la face interne un film froid ayant un temps de séjour prolongé par rapport à un jet orienté longitudinalement, ainsi qu'une épaisseur augmentée. [0034] A titre illustratif, la figure 4 montre une portion de chemise 11 comportant des trous 13 ayant un angle de giration Ag maximal de 90', ce qui signifie que l'axe de chaque trou 13 s'étend dans un plan normal à l'axe longitudinal AX. Les jets d'air J sont injectés circonférentiellement à la face interne de la chemise 11, de sorte qu'ils sont contrariés par le flux de combustion longitudinal, et suivent par là même des trajectoires incurvées pour retrouver une propagation longitudinale. Les jets J dont l'orientation initiale est circonférentielle sont ainsi fortement diffusés à la face interne de la chemise 11. Ces jets produisent un film plus étendu et de plus grande épaisseur ayant par là même une efficacité accrue pour protéger thermiquement la chemise 11. [0035] A titre de comparaison, on a représenté dans la figure 6 une portion de chemise 11' ayant des trou ayant un angle de giration Ag' qui est nul : chaque trou 13' est percé selon un axe inclus dans un plan longitudinal contenant l'axe AX. Dans ce cas, chaque jet Y injecté par un trou 13' suit directement la trajectoire longitudinale du flux de combustion, de sorte qu'il n'est pas contrarié et se diffuse donc moins. Il s'ensuit que l'étendue couverte par un jet J' est significativement inférieure et que son épaisseur est très faible, donnant lieu à une efficacité réduite de la protection thermique de la chemise 11'. [0036] Comme visible sur la figure 5, les jets J produits par des trous 13 ayant un angle de giration de 90° donnent lieu à un film protecteur relativement épais, comme le montrent les lignes de courant Lc qui s'écartent significativement de la face interne de la chemise II. A l'inverse, et comme illustré sur la figure 7, avec des trous 13' ayant une orientation longitudinale, le film généré à la face interne de la chemise a une épaisseur très faible comme le montrent les lignes de courant Lc' qui sont dans ce cas très proches de la face interne de la chemise 11'. [0037] D'une manière générale, l'angle de giration est avantageusement compris entre 5° et 90°, préférentiellement 30° à 90°, et les diamètres des trous et la distance qui les sépare peuvent être diminués, pour accroître la surface de chemise refroidie. Par ailleurs, la taille et l'orientation de chaque trou peut être optimisée en fonction de sa position à la face interne de la chemise de manière à maximiser l'efficacité thermique de chaque trou en fonction de sa position. [0038] Grâce à l'amélioration du refroidissement de la face interne de la chemise, résultant de l'orientation giratoire des trous selon l'invention, la température de la chemise est significativement abaissée, de plusieurs centaines de degrés, ce qui présente en soi différents avantages additionnels. [0039] Tl devient ainsi possible de couvrir la face interne de la chemise avec un revêtement ou une peinture à haute émissivité, de tels revêtements ou peintures étant généralement limités en ce qui concerne la température qu'ils peuvent supporter. La présence d'un tel revêtement permet de réduire les émissions thermiques pour limiter la possibilité de détection du rayonnement infrarouge du turboréacteur. [0040] En pratique, la chemise couverte d'un revêtement à haute émissivité présente une plus grande capacité à absorber les rayonnements thermiques de la chambre de post combustion, tout en étant refroidie par le flux d'air. Elle permet ainsi de limiter le rayonnement thermique de la chambre de post combustion, et par là-même la possibilité de détecter le turboréacteur au moyen de dispositifs de visée à infrarouge. [0041] Cette réduction de la température de la chemise permet également d'étendre la gamme des matériaux utilisables pour sa fabrication. [0042] En variante au revêtement de peinture, la face interne de la paroi peut être couverte d'un revêtement de type céramique faisant office de barrière thermique. Avantageusement, si le revêtement thermique est suffisamment granuleux il peut présenter égalament des propriétés de haute émissivité. Ce type de revêtement correspond à celui utilisé habituellement sur des aubes de turbines à haute pression, il peut s'agir d'un zirconite itric. 6