EP0049190A1 - Dispositif de refroidissement par film d'air pour tube à flamme de moteur à turbine à gaz - Google Patents

Dispositif de refroidissement par film d'air pour tube à flamme de moteur à turbine à gaz Download PDF

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EP0049190A1
EP0049190A1 EP19810401447 EP81401447A EP0049190A1 EP 0049190 A1 EP0049190 A1 EP 0049190A1 EP 19810401447 EP19810401447 EP 19810401447 EP 81401447 A EP81401447 A EP 81401447A EP 0049190 A1 EP0049190 A1 EP 0049190A1
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EP
European Patent Office
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flame tube
wall
slot
downstream
internal
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Application number
EP19810401447
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German (de)
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EP0049190B1 (fr
Inventor
Jean Robert Bedue
Jacques Emile Jules Caruel
Philippe Marc Denis Gastebois
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
SNECMA SAS
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/06—Arrangement of apertures along the flame tube
    • F23R3/08—Arrangement of apertures along the flame tube between annular flame tube sections, e.g. flame tubes with telescopic sections

Definitions

  • the invention relates to an air film cooling device for a flame tube of a gas turbine engine, said device forming an annular connection piece, between a downstream section and an upstream section of the flame tube, comprising an external wall. and an internal wall delimiting between them a chamber fed in the radial direction by at least one row of orifices made in the internal wall, the internal wall delimiting with the external wall an annular outlet slot through which an air film flows cooling and insulation of the internal wall of the downstream section of the flame tube.
  • the flame tube which extends the combustion chamber, is subjected to a significant heat flow since it is there that the combustion phenomenon of the air fuel mixture occurs in the chamber. It is therefore necessary to cool the flame tube and, to do this, air taken from the high pressure flow is introduced into the tube, so as to form an air film or film on the wall of the tube. in order to remove it from the direct action of the flame and to cool it.
  • French patent 1,432,316 describes an annular connection piece between two sections of flame tube.
  • the piece is made up of two spaced concentric rings.
  • the inner ring is connected or is part of the upstream tube portion, while the outer ring is part of the downstream tube portion.
  • the upstream end of the outer ring is connected to the inner ring by an annular flange radial.
  • Axially directed air inlet holes are provided in this rim, others, directed radially, are provided in the outer ring.
  • the free end of the inner ring is inclined towards the outer ring so as to form a slit through which the cooling air flows.
  • French patent 1,510,874 presents a device comprising only radial orifices which have the main function of allowing the adjustment of the flow rate of the cooling fluid.
  • the short, rigid tongue protects the ports against hot interior fluid and generates the desired film of cooling air.
  • One of the essential concerns in the realization of the tongue seems to have been to decrease its length, in order to avoid temperature gradients. Axial slots eventually allow it to expand.
  • the invention aims to achieve impact cooling on the tongue and to obtain a cooling film whose flow rate is perfectly controlled.
  • Cooling is obtained by radial jets which, to be effective, must retain their radial kinetic energy, without this being reduced or even eliminated by excessive axial movement in the area of these jets.
  • the axial speed in the area of the radial jets must therefore be as low as possible.
  • the known devices all have an adjustment at the input of the film feed rate.
  • the invention makes this adjustment in the outlet slot by a judicious staging of the flow velocities, which makes it possible to choose the height of the chamber, arranged upstream of the slot, to obtain a real impact effect on the tongue exposed to hot gases.
  • the mode of formation of the cooling film allows the use of the device according to the invention in flame tubes of constant diameter or not by modification of the position of the upstream wall.
  • the device according to the invention is remarkable in that the external and internal walls each have a cylindrical portion extending longitudinally, said portions being coaxial and spaced from each other, the cylindrical portion of the external wall being connected in downstream by a conical portion to the downstream section of the flame tube, the cylindrical portions of the outer walls. and internal being connected upstream by at least an approximately conical portion to the upstream section of the flame tube.
  • the air film cooling device (Fig. 1,2) according to the invention forms an annular connection piece between a downstream section 1 and an upstream section 2 of the flame tube, to which it is welded in 3 and 4 by through cylindrical connection portions 5, 6 of diameter corresponding to the diameter of the sections of the flame tube.
  • the device also consists of an external wall 7 and an internal wall 8 delimiting between them an annular chamber 9.
  • the external wall carries radial orifices 10 arranged along the guidelines of the wall 7.
  • the wall 7 carries two rows 11, 12 of orifices, but their number can go up to 4. In each row the orifices are equidistant.
  • the orifices are offset peripherally from one row to the next row.
  • the inner wall 8 defines with the outer pardi 7 an annular outlet slot 13 through which the film of cooling air and insulation from the wall of the downstream section 1 of the flame tube flows.
  • the outer wall 7 and the inner wall 8 each have a cylindrical portion 14 'and 15 respectively. These portions are coaxial and are spaced from each other.
  • the cylindrical portion 14 of the outer wall 7 is connected downstream by a conical portion 16 to the downstream section 1 of the flame tube via the cylindrical connection portion 5.
  • FIG. 2 represents three possible positions (in line solid, broken line and dashed line) of the upstream wall 2 depending on whether the other sections to be connected to the flame tube are of the same or different diameters.
  • the internal wall 8 is connected by an approximately conical portion to the section 2.
  • this section is of smaller diameter, it is the external wall which is connected to it by a portion approximately conical.
  • each wall is connected by an approximately conical portion.
  • the internal wall 8, in its cylindrical part 15, is extended to form, with the cylindrical portion 5 of connection to the downstream section 1 of the flame tube, the slot 13, being in the form of an annular channel whose width is less than the length 'L.
  • the chamber 9 is se-. adorned in several sectors by longitudinal reinforcements 20 which make it possible to maintain rigorous dimensions of the chamber and of the annular channel, and in particular the height of the chamber and the width of the channel.
  • FIG. 3 makes it possible to understand the aerodynamic operation of the device.
  • the film 21 is supplied by the air jets which penetrate radially into the chamber 9.
  • the jets which strike the internal surface of the internal wall 8 exposed to hot gases 19, by impact effect promote its cooling.
  • the flow from the jets engages in the converging 22, formed of the conical part 16, whose role is, by accelerating it, to promote its mixing, therefore to attenuate the wakes of the reinforcements.
  • the convergent ends in a slot 13 in the form of an annular channel, the length of which must be sufficient to obtain a correct speed profile at the outlet in the flame tube.
  • the internal wall 8, delimiting the slot has at its downstream part and up to the free edge, an outer bevel portion.
  • This bevel makes it possible to reduce the wake at the outlet of the slot.
  • the thickness e of the free edge of the wall 8 is less than half the width h of the slot.
  • the height H of the chamber 9 is equal to or greater than twice the width h of the slot 13; the projected length c of the conical portion 16 between the cylindrical outer wall 14 and the downstream section of the flame tube 5 is equal to or greater than 1.2 times the height H of the chamber; the length L of the annular channel of the slot 13 is equal to or greater than 2 times the width h of the slot; and the diameter of the orifices 10 is equal to or less than 0.5 times the width h of the slot.
  • the width of the slot can be less than a millimeter.
  • the use of multiple rows of holes provides sufficient supply of the chamber, without weakening the connecting structure.
  • the first row sends radial jets into a chamber where the local axial speed is low since there will be approximately 1/3 of the axial speed at the exit of the converging front chamber. The impact will therefore be better for the first row which corresponds precisely to the part of the internal wall that needs to be best cooled.
  • the device according to the invention provides a solution to the cooling by air film of small diameter flame tubes in which the pressure is high.

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Abstract

Dispositif de refroidissement par film d'air pour tube à flamme de moteur à turbine à gaz formant une pièce de raccordement entre une section aval (1 ) et une section amont (2) du tube. Il est constitué d'une paroi externe (7) et d'une paroi interne (8) présentant chacune une portion cylindrique (14, 15). La paroi externe porte des orifices radiaux (10). La portion cylindrique (14) de la paroi externe (7) est raccordée en aval par une portion conique (16) à la section aval (1) du tube. La paroi externe, en aval de la portion conique, et la paroi interne constituent la fente (13) en forme de canal annulaire. Les portions amont des parois interne et externe se raccordent à la section amont (2) du tube à flamme par des portions coniques (17).

Description

  • L'invention concerne un dispositif de refroidissement par film d'air pour tube à flamme de moteur à turbine à gaz, ledit dispositif formant une pièce annulaire de raccordement, entre une section aval et une section amont du tube à flamme, comportant une paroi externe et une paroi interne délimitant entre elles une chambre alimentée en direction radiale par au moins une rangée d'orifices pratiqués dans la paroi interne, la paroi interne délimitant avec la paroi externe une fente annulaire de sortie par laquelle s'écoule un film d'air de refroidissement et d'isolation de la paroi interne de la section aval du tube à flamme.
  • Le tube à flamme, qui prolonge la chambre de combustion, est soumis à un flux de chaleur important puisque c'est dans celui-ci que se produit le phénomène de combustion du mélange air carburant réalisé dans la chambre. Il est donc nécessaire de refroidir le tube à flamme et, pour ce faire, on introduit dans le tube de l'air prélevé sur l'écoulement haute pression, de manière à former un film ou-pellicule d'air sur la paroi du tube afin de le soustraire à l'action directe de la flamme et de le refroidir.
  • De nombreuses réalisations de dispositif de refroidis- . sement ont été faites. C'est ainsi que le brevet français 1 432 316 décrit une pièce annulaire de raccordement entre deux sections de tube à flamme. La pièce est formée de deux anneaux concentriques espacés. L'anneau intérieur est raccordé ou fait partie de la portion de tube amont, tandis que l'anneau extérieur fait partie de la portion de tube aval. L'extrémité amont de l'anneau extérieur est raccordée à l'anneau intérieur par un rebord annulaire radial. Des orifices d'entrée d'air dirigés axialement sont prévus dans ce rebord, d'autres, dirigés radialement, sont prévus dans l'anneau extérieur. L'extrémité libre de l'anneau intérieur est inclinée vers l'anneau extérieur de manière à former une fente par laquelle s'écoule l'air de refroidissement.
  • Les problèmes que tente de résoudre un tel dispositif sont principalement le décollement du film d'air de la paroi du tube et le refroidissement de l'anneau intérieur, dans sa partie comprise entre le rebord et son extrémité libre et qui sera par la suite dénommé "languette"..Pour éyiter le décollement du film et pour assurer un isolement convenable de la paroi, il faut que son écoulement soit non turbulent et que sa vitesse soit approximativement égale à la vitesse du flux de gaz dans le tube à flamme. Ces conditions sont obtenues entre autres par l'utilisation d'une languette longue, mais celle-ci n'est alors plus suffisamment refroidie et la longévité du dispositif en est affectée.
  • Le problème du refroidissement de la languette ne semble pas avo.ir reçu de solution particulière. En. effet, la disposition des orifices de prise d'air de manière à obtenir des jets axiaux et/ou radiaux montre que l'effet de refroidissement est surtout attendu de l'écoulement de l'air le long de la paroi.
  • Le brevet français 1 510 874 présente un dispositif comportant uniquement des orifices radiaux qui ont pour fonction principale de permettre le réglage du débit du fluide de refroidissement. La languette, courte et rigide, protège les orifices contre le fluide intérieur chaud et engendre le film désiré d'air de refroidissement. Une des préoccupations essentielles dans la réalisation de la languette semble avoir été de diminuer sa longueur, afin de lui éviter les gradients de température. Des fentes axiales lui permettent éventuellement une certaine dilatation.
  • L'utilisation des orifices pour le réglage du débit de refroidissement ne permet pas d'obtenir des jets radiaux ayant un impact suffisant sur la languette pour assurer son refroidissement. Les dispositifs précédemment décrits convenaient pour les moteurs à réaction classiques, mais ne sauraient donner satisfaction pour les moteurs de la nouvelle génération dont les taux de pression et les températures à l'entrée dela turbine sont plus élevés. A poussée identique, ces moteurs ont des chambres de combustion plus réduites, ce qui entraine une diminution des sections de passage de l'air de refroidissement et une augmentation de l'épaisseur des parois. La mise en oeuvre de dispositifs de refroidissement connus est impossible technologiquement ou conduit à une augmentation de la quantité d'air de refroidissement inadmissible pour les cycles des moteurs envisagés.
  • L'invention vise à réaliser un refroidissement par impact sur la languette et à obtenir un film de refroidissement dont le débit est parfaitement contrôlé.
  • Le refroidissement est obtenu par des jets radiaux qui, pour être efficaces, doivent conserver leur énergie cinétique radiale, sans que celle-ci soit diminuée ou même supprimée p.ar un mouvement axial trop rapide dans la zone de ces jets. Il faut donc que la vitesse axiale dans la zone des jets radiaux soit aussi faible que possible.
  • Les dispositifs connus possèdent tous un réglage à l'entrée du débit d'alimentation du film. L'invention effectue ce réglage dans la fente de sortie par un étagement judicieux des vitesses d'écoulement, ce qui permet de choisir la hauteur de la chambre, disposée en amont de la fente, pour obtenir un effet d'impact réel sur la languette exposée aux gaz chauds. Le mode de formation du film de refroidissement permet l'utilisation du dispositif selon l'invention dans des tubes à flamme de diamètre constant ou non par modification de la position de la paroi amont.
  • Le dispositif selon l'invention est remarquable en ce que les parois externe et interne présentent chacune une portion cylindrique s'étendant longitudinalement, lesdites portions étant coaxiales et espacées l'une de l'autre, la portion cylindrique de la paroi externe étant raccordée en aval par une portion conique à la section aval du tube à flamme, les portions cylindriques des parois externe. et interne étant raccordées en amont par au moins une portion approximativement conique à la section amont du tube à flamme.
  • Les explications et figures données ci-après à titre d'exemple permettront de comprendre comment l'invention peut être réalisée.
    • La figure 1 est une vue de dessus du dispositif selon l'invention.
    • La figure 2 est une vue en coupe selon II-II de la figure 1.
    • La figure 3 montre l'écoulement des filets d'air dans le dispositif de l'invention.
  • Le dispositif de refroidissement par film d'air (Fig.1,2) selon l'invention, forme une pièce annulaire de raccordement entre une section aval 1 et une section amont 2 du tube à flamme, auxquelles elle est soudée en 3 et 4 par l'intermédiaire de portions cylindriques de raccordement 5, 6 de diamètre correspondant au diamètre des sections du tube à flamme.
  • Le dispositif est constitué, en outre, d'une paroi externe 7 et d'une paroi interne 8 délimitant entre elles une chambre annulaire 9. La paroi externe porte des orifices 10 radiaux disposés selon des directrices de la paroi 7. Selon la forme de réalisation représentée, la paroi 7 porte deux rangées 11, 12 d'orifices, mais leur nombre peut aller jusqu'à 4. Dans chaque rangée les orifices sont équidistants.
  • Afin d'éviter des perturbations dans l'impact des jets axiaux contre la paroi 8 de la chambre, les orifices sont décalés périphériquement d'une rangée à la rangée suivante.
  • La paroi interne 8 délimite avec la pardi externe 7 une fente annulaire 13 de sortie par laquelle s'écoule le film d'air de refroidissement et d'isolation de la paroi de la section aval 1 du tube à flamme.
  • Selon des caractéristiques de l'invention, la paroi externe 7 et la paroi interne 8 présentent chacune Une portion cylindrique 14' et 15 respectivement. Ces portions sont coaxiales et sont espacées l'une de l'autre.
  • .La portion cylindrique 14 de la paroi externe 7 est raccordée en aval par une portion conique 16 à la section aval 1 du tube à flamme par l'intermédiaire de la portion cylindrique 5 de raccordement.
  • Les extrémités amont des portions cylindriques 14 et 15 sont raccordées à la section amont 2 du tube à flamme par au moins une portion approximativement conique 17. La figure 2 représente trois positions possibles (en trait plein, trait interrompu et trait mixte) de la paroi 2 amont selon que les autres sections à raccorder du tube à flamme sont de même diamètres ou de diamètres différents.
  • Lorsque la section amont est de diamètre supérieur à la section aval, la paroi interne 8 est raccordée par une portion approximativement conique à la section 2. Lorsque cette section est de diamètre inférieur, c'est la paroi extérieure qui y est raccordée par une portion approximativement conique. Enfin, lorsque les deux sections sont de même diamètre, chaque paroi est raccordée par une portion approximativement conique. Ces portions approximativement coniques17 sont conformées, à leur raccordement, de manière à présenter un profil aérodynamique permettant un écoulement non turbulent aussi bien de l'air de refroidissement 18 provenant du compresseur, que des gaz chauds 19 passant dans le tube à flamme.
  • La paroi interne 8, dans sa partie cylindrique 15, se prolonge pour former, avec la portion cylindrique 5 de raccordement à la section aval 1 du tube à flamme, la fente 13, se présentant sous la forme d'un canal annulaire dont la largeur h'est inférieur à la longueur 'L.
  • Suivant l'exemple de réalisation, la chambre 9 est sé-. parée en plusieurs secteurs par des renforts longitudinaux 20 qui permettent de conserver des dimensions rigoureuses à la chambre et au canal annulaire, et en particulier la hauteur de la chambre et la largeur du canal.
  • La figure 3 permet de comprendre le fonctionnement aérodynamique du dispositif. Le film 21 est alimenté par les jets d'air'qui pénètrent radialement dans la chambre 9. Les jets, qui viennent frapper la surface interne de la paroi interne 8 exposée aux gaz chauds 19, favorisent par effet d'impact son refroidissement. L'écoulement issu des jets s'engage dans le convergent 22, formé de la partie conique 16, dont le rôle est, en l'accélérant, de favoriser son mélange, donc d'atténuer les sillages des renforts. Le convergent se termine par une fente 13 en forme de canal annulaire dont la longueur.doit être suffisante pour obtenir un profil de vitesse.correct au débouché dans le tube à flamme.
  • La paroi interne 8, délimitant la fente, présente à sa partie aval et jusqu'au bord libre, une portion extérieure en biseau, Ce biseau permet de réduire le sillage au débouché de la fente. De préférence, l'épaisseur e du bord libre de la paroi 8 est inférieure à la moitié de la largeur h de la fente. Un étagement convenable des vitesses d'écoulement permet le contrôle du débit dans la fente de sortie et le choix d'une hauteur de chambre convenable pour produire l'effet d'impact sur la paroi exposée aux gaz chauds.
  • Le résultat est obtenu lorsque la hauteur H de la chambre 9 est égale ou supérieure à deux fois la largeur h de la fente 13 ; la longueuu c projetée de la portion conique 16 comprise entre la paroi externe cylindrique 14 et la section aval du tube à flamme 5 est égale ou supérieure à 1,2 fois la hauteur H de la chambre ; la longueur L du canal annulaire de la fente 13 est égale ou supérieure à 2 fois la largeur h de la fente ; et le diamètre des orifices 10 est égal ou inférieur à 0,5 fois la largeur h de la fente.
  • Ces dimensionnements permettent les meilleurs résultats tout en conservant un débit d'air faible, la largeur de la fente pouvant être inférieure au millimètre.
  • L'emploi de rangées multiples de trous procure une alimentation suffisante de la chambre, sans affaiblir la structure de liaison. Par exemple, pour trois rangées d'orifices, la première rangée envoie des jets radiaux dans une chambre où la vitesse locale axiale est faible puisqu'il y aura environ 1/3 de la vitesse axiale à la sortie de la chambre avant convergent. L'impact sera donc meilleur pour la première rangée qui correspond précisément à la partie de paroi interne qu'il faut le mieux refroidir.
  • Le dispositif, selon l'invention, apporte une solution au refroidissement par film d'air de tubes à flamme de faible diamètre et dans lesquels la pression est élevée.

Claims (9)

1. Dispositif de refroidissement par film d'air pour tube à flamme de moteur à turbine à gaz, ledit dispositif formant une pièce annulaire de raccordement entre une section aval (1) et une section amont (2) du tube à flamme, comportant une paroi externe (7) et une paroi interne (8) délimitant entre elles une chambre (9) alimentée en direction radiale par au moins une rangée d'orifices (10) pratiqués dans la paroi externe, la paroi interne délimitant avec la paroi externe une fente annulaire (13) de sortie par laquelle s'écoule un film d'air de refroidissement et d'isolation de la paroi interne de la section aval du tube à flamme, caractérisé en ce que les parois externe (7) et interne (8) présentent chacune une portion cylindrique (14, 15) s'étendant axialement, lesdites portions étant coaxiales et espacées l'une de l'autre, la portion cylindrique (14) de la paroi -externe (7) étant raccordée en aval par. une portion conique (16) à la section aval (1) du tube à flamme, les portions cylindriques des parois externe et interne étant raccordées en amont par au moins une portion approximativement conique (17) à la section amont (2) du tube à flamme.
2. Dispositif selon la revendication.1, caractérisé en ce que la fente annulaire (13) est formée d'un canal annulaire cylindrique, défini par la paroi cylindrique aval (1) du tube à flamme et une partie cylindrique (15) aval de la paroi interne (8), dont la largeur est inférieure à la-longueur.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la paroi interne (8) est raccordée à la section amont (2) du tube à flamme par une portion approximativement conique (17).
4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la paroi externe (7) est raccordée à la section amont (2) du tube à flamme par une portion approximativement conique.
5. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les parois externe (7) et interne (8) sont raccordées à la section amont (2) du tube à flamme par des portions approximativement coniques.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ses dimensions sont définies par les valeurs suivantes :
Figure imgb0001
Figure imgb0002
Figure imgb0003
Figure imgb0004
h = largeur de la fente
H = hauteur de la chambre
c = longueur projetée de la portion conique entre la paroi interne et la section aval du tube à flamme
L = longueur du canal annulaire de la fente
d = diamètre des orifices.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'épaisseur du bord libre de la paroi interne délimitant la fente (13) est inférieure à la moitié de la largeur de la fente.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi interne (8) présente à sa partie aval une portion extérieure enbiseau.
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de rangées d'orifices est choisi dans la suite {2, 3, 4} .
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