FR2999277A1

FR2999277A1 - Paroi annulaire de chambre de combustion en aval d'un compresseur centrifuge

Info

Publication number: FR2999277A1
Application number: FR1261796A
Authority: FR
Inventors: Jean-Francois Cabre; Patrice Andre Commaret; Francois Leglaye
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-06-13
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: FR2999277B1

Abstract

Paroi annulaire (30) d'une chambre de combustion de turbomachine disposée en aval d'un compresseur centrifuge, comportant un côté froid et un côté chaud, cette paroi annulaire comportant une pluralité de trous de refroidissement (44) chacun inclinés d'un angle d'inclinaison (β par rapport à une normale N à la paroi annulaire et répartis selon une pluralité de rangées espacées axialement les unes des autres, pour permettre à l'air circulant du côté froid de la paroi annulaire de pénétrer du côté chaud, afin de former un film d'air de refroidissement le long de cette paroi annulaire, les axes géométriques de perçage de chacun des trous de refroidissement étant orientés selon une direction d'écoulement de l'air (F2) circulant autour de la paroi annulaire, de façon à garder tout le long de la paroi annulaire une alimentation en air sensiblement axiale au travers de ces trous de refroidissement.

Description

i Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des chambres de combustion de turbomachine. Elle vise plus particulièrement une paroi annulaire pour chambre de combustion directe ou à flux inversé refroidie par un procédé dit de «multiperforation». Typiquement, une chambre de combustion annulaire de turbomachine est formée d'une paroi annulaire interne (dite aussi virole interne) et d'une paroi annulaire externe (dite aussi virole externe) qui sont reliées en amont par une paroi transversale formant fond de chambre. Ces viroles interne et externe sont chacune pourvues d'une pluralité de trous et d'orifices divers permettant à de l'air circulant autour de la chambre de combustion de pénétrer à l'intérieur de celle-ci. Ainsi, des trous dits « primaires » et des trous dits « de dilution » répartis de façon circonférentielle autour de la chambre de combustion sont formés dans ces viroles pour acheminer de l'air à l'intérieur de la chambre de combustion. L'air empruntant les trous primaires contribue à créer un mélange air/carburant qui est brûlé dans la chambre, tandis que l'air provenant des trous de dilution positionnés axialement en aval des précédents est destiné à favoriser la dilution de ce même mélange air/carburant. Les viroles interne et externe sont soumises aux températures élevées des gaz provenant de la combustion du mélange air/carburant. Aussi, afin d'assurer leur refroidissement, des orifices supplémentaires dits de multiperforation sont également percés au travers de ces viroles sur toute leur surface. Ces orifices de multiperforation, percés axialement par rapport à l'axe longitudinal du moteur sont en général inclinés à 600 (classiquement entre 45° et 70°) et permettent à l'air circulant à l'extérieur de la chambre de pénétrer à l'intérieur de celle-ci en formant le long des viroles des films d'air de refroidissement. Cette technologie est très efficace dans le cas où l'alimentation des trous de refroidissement est purement axiale, c'est-à-dire que le flux d'air alimentant ces trous est axial par rapport à leur axe de perçage. Or, lorsque le flux d'air de refroidissement est issu d'un compresseur centrifuge, il a été constaté que l'écoulement le long des parois annulaires interne comme externe n'était pas rigoureusement axial, et cela même lorsque le compresseur centrifuge était muni de redresseurs axiaux, de I o sorte qu'il en résultait une giration résiduelle non négligeable de cet écoulement, pouvant notamment atteindre plus de 500 en sortie de chambre, à l'origine d'un mauvais refroidissement de la paroi et d'une apparition rapide de criques. 15 Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but de pallier de tels inconvénients en proposant une paroi annulaire de chambre de combustion disposée en aval d'un compresseur centrifuge dont le refroidissement est amélioré par un meilleur suivi de l'écoulement le long 20 de cette paroi. A cet effet, il est prévu une paroi annulaire interne ou externe d'une chambre de combustion de turbomachine disposée en aval d'un compresseur centrifuge, comportant un côté froid et un côté chaud, ladite paroi annulaire comportant une pluralité de trous de refroidissement 25 chacun inclinés d'un angle d'inclinaison 13 par rapport à une normale N à ladite paroi annulaire et répartis selon une pluralité de rangées espacées axialement les unes des autres, pour permettre à l'air circulant du côté froid de ladite paroi annulaire de pénétrer du côté chaud, afin de former un film d'air de refroidissement le long de ladite paroi annulaire, 30 caractérisée en ce que les axes géométriques de perçage de chacun desdits trous de refroidissement sont orientés selon une direction d'écoulement de l'air circulant autour de ladite paroi annulaire, de façon à garder tout le long de ladite paroi annulaire une alimentation en air sensiblement axiale au travers desdits trous de refroidissement. Cette orientation croissante des trous de refroidissement selon la direction de l'écoulement de l'air permet en gardant constamment leur alimentation axiale d'assurer un refroidissement efficace par rapport à une multiperforation axiale fixe, de par l'augmentation du coefficient de débit impliquant une augmentation du coefficient de pompage thermique dans les trous et donc d'une amélioration du film de refroidissement coté i o chaud. Avantageusement, ladite paroi annulaire est divisée en une pluralité de zones comportant chacune plusieurs rangées parallèles de trous de refroidissement dont lesdits axes géométriques de perçage sont inclinés d'un angle d'inclinaison a par rapport à un axe longitudinal de ladite paroi 15 annulaire, chaque zone de ladite pluralité de zones ayant des trous de refroidissement avec un même angle d'inclinaison, différent de celui de la zone adjacente, et qui va croissant d'une première zone à une extrémité amont de ladite paroi annulaire à une dernière zone à une extrémité aval de ladite paroi annulaire. 20 Selon un premier exemple de réalisation, ladite paroi annulaire est divisée en trois zones A, B, C présentant chacune une pluralité de rangées parallèles de trous de refroidissement, lesdites rangées d'une première zone A étant chacune inclinée par rapport à un plan perpendiculaire au dit axe longitudinal d'un même angle d'inclinaison al, lesdites rangées d'une 25 deuxième zone B étant chacune inclinée par rapport au dit plan perpendiculaire au dit axe longitudinal d'un même angle d'inclinaison a2 supérieur au dit angle d'inclinaison al, et lesdites rangées d'une troisième zone C étant chacune inclinée par rapport au dit plan perpendiculaire au dit axe longitudinal d'un même angle d'inclinaison a3 supérieur au dit 30 angle d'inclinaison a2.

De préférence, ladite première zone A inclue des trous primaires, ladite deuxième zone B inclue des trous de dilution et ladite troisième zone C commence en aval desdits trous de dilution et se termine à ladite extrémité aval de ladite paroi annulaire. Ladite troisième zone peut comporter elle-même plusieurs zones inclinées chacune d'un angle d'inclinaison différent et allant croissant vers ladite extrémité aval de ladite paroi annulaire. Avantageusement, ledit angle d'inclinaison, selon la paroi annulaire considérée, est compris entre 00 et 80° ou entre 00 et moins 80° et en Io valeur absolue augmente préférentiellement par palier de 10°. Selon un exemple de réalisation, lesdits trous de refroidissement sont disposés en rangées circonférentielles parallèles perpendiculaires au dit axe longitudinal et présentent chacun, dans chacune des zones successives s'étendant d'une première zone à une extrémité amont de 15 ladite paroi annulaire à une dernière zone à une extrémité aval de ladite paroi annulaire, un axe géométrique de perçage incliné d'un même angle d'inclinaison par rapport au dit axe longitudinal différent et allant croissant de ladite première zone à ladite dernière zone. Préférentiellement, une première zone inclue au moins un trou pour 20 le passage d'une bougie d'allumage, une deuxième zone inclue des trous primaires, une troisième zone inclue des trous de dilution, une quatrième zone commence en aval desdits trous de dilution et au moins une cinquième zone se termine à ladite extrémité aval de ladite paroi annulaire. 25 L'invention concerne également une chambre de combustion comportant des parois annulaires externe et interne telles que précitées et un fond de chambre maintenu en position sur lesdites parois annulaires externe et interne par des moyens de fixation ainsi qu'une turbomachine comportant une telle chambre de combustion. 30 2 9992 77 5 Brève description des dessins Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels : 5 - la figure 1 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'une chambre de combustion d'une turbomachine illustrant son refroidissement, - la figure 2 est une vue en plan d'une paroi annulaire interne de la chambre de combustion de la figure 1 incorporant une première configuration de trous de refroidissement selon l'invention, et - la figure 3 est une vue en plan d'une paroi annulaire externe de la chambre de combustion de la figure 1 incorporant une seconde configuration de trous de refroidissement selon l'invention. Description détaillée de l'invention La figure 1 montre en demi-coupe axiale une partie d'injection d'une turbomachine comprenant : . une enveloppe annulaire externe (ou carter externe) 12, d'axe longitudinal 10, . une enveloppe annulaire interne (ou carter interne) coaxiale 14, . un espace annulaire 16 compris entre les deux enveloppes 12 et 14 recevant le comburant comprimé, généralement de l'air, provenant en amont d'un compresseur centrifuge (non représenté) de la turbomachine, au travers d'un conduit annulaire de diffusion 18 muni notamment d'une grille de diffusion 18A et définissant un flux général F d'écoulement de l'air. Cet espace 16 comporte, dans le sens d'écoulement de cet air, tout d'abord un ensemble d'injection formé d'une pluralité de systèmes d'injection 20 régulièrement répartis autour du conduit 18 et comportant chacun une buse d'injection de carburant 22 fixée sur l'enveloppe annulaire externe 12 (avec les mélangeur et déflecteur 24 associés), ensuite une chambre de combustion annulaire 26, formée d'une paroi annulaire externe 28 (ou virole externe) et d'une paroi annulaire interne 30 (ou virole interne), toutes deux coaxiales d'axe 10, et d'une paroi transversale 32 formant fond de chambre, et pourvue d'ouvertures 32A pour la fixation d'une partie du système d'injection, et enfin un distributeur annulaire 34 formant un étage d'entrée d'une turbine haute pression. Une casquette externe 36 prolonge vers l'amont (par rapport au flux F) la paroi externe 28 de la chambre de combustion et une casquette interne 38 prolonge vers l'amont la paroi interne 30 de la chambre de Io combustion et ces deux casquettes sont solidarisées au fond de chambre 32 par des moyens de fixation de type boulons ou écrous prisonniers 40. Bien entendu, cette configuration du fond de chambre avec deux casquettes ne saurait être limitative et toute autre configuration, par exemple avec un carénage monobloc est aussi envisageable. 15 La paroi annulaire externe 28 de la chambre de combustion est percée d'un ou plusieurs orifices 28A pour le passage d'une ou plusieurs bougies d'allumage 42 et, répartis de façon circonférentielle autour de la chambre, d'une pluralité d'orifices primaires 28B et d'orifices de dilution 28C pour son alimentation en air à partir d'un premier flux F1 s'écoulant 20 autour de cette paroi externe et issu du flux principal F, et son mélange avec le carburant éjecté par la buse d'injection de carburant 22. Classiquement, les trous de dilution sont disposés axialement en aval (par rapport à l'écoulement de l'air ou des gaz de combustion) des trous primaires. La paroi annulaire interne 30 de cette chambre est quant à elle 25 percée d'une pluralité d'orifices primaires 30B et d'orifices de dilution 30C pour son alimentation en air à partir d'un second flux F2 s'écoulant autour de cette paroi interne et issu également du flux principal F, et son mélange avec le carburant éjecté par la buse 22. Enfin, la chambre de combustion est aussi percée de multiples trous 30 de refroidissement 44 (multiperforation visible sur les figures 2 et 3) pour 2 9992 77 7 assurer un refroidissement de ses parois externe et interne par un film d'air issu des flux Fl. et F2 précités. Selon l'invention, la multiperforation est réalisée avec un angle d'inclinaison progressif sur la paroi pour suivre au mieux la giration de 5 l'écoulement de l'air, de façon à ce que l'alimentation en air conserve une direction sensiblement axiale tout au long de la paroi. Ainsi, chaque trou de refroidissement comportera un classique premier angle d'inclinaison f3 de l'axe de ce trou par rapport à la normale N à la paroi, angle généralement compris entre 450 et 70°, typiquement 60°, et un second angle d'inclinaison a défini par rapport à l'axe longitudinal de la paroi ou axe moteur 10, lequel angle d'inclinaison variera progressivement selon la direction d'écoulement de l'air et donc par exemple de 0° à 50°, voir 80° dans le cas d'un compresseur centrifuge sans redresseurs. Cette progression de l'inclinaison pourra être continue (c'est-à-dire différente rangée après rangée) ou plutôt sectorisée (identique pour un nombre déterminé de rangées). Toutefois, une progression continue supposant de quantifier la giration résiduelle très précisément, ce qui ne peut être obtenu qu'au moyen de calculs complexes recourant à un code Navier-Stockes 3D structuré, la seconde solution sera préférée pour des facilités de fabrication. Par exemple, la paroi annulaire externe 28 peut avoir un angle allant de -10° à -50° par palier de 10° (donc en cinq zones successives) et la paroi annulaire interne 30 peut avoir un angle allant de 100 à 50° aussi par palier de 100 . Un premier exemple de configuration de perçage des trous de refroidissement 44 au niveau de la paroi annulaire interne 30 est illustré à la figure 2. Dans cette configuration, la paroi interne est par exemple divisée en trois zones A, B et C. La première zone A, qui inclue les trous primaires 30B, présente une pluralité de rangées parallèles de trous de refroidissement 44, chacune inclinée d'un même angle d'inclinaison a1, par exemple 100, par rapport à une perpendiculaire à l'axe longitudinal de la paroi ou axe moteur 10, de sorte que l'axe de perçage de ces trous (disposé à 90° de l'axe de la rangée) est également incliné de ce même angle d'inclinaison al par rapport à l'axe longitudinal, soit précisément 10°. La seconde zone B, qui inclue les trous de dilution 30C, présente également une pluralité de rangées parallèles de trous de refroidissement 44, mais cette fois chacune inclinée d'un même angle d'inclinaison a2 supérieur au précédent cd, par exemple 20°, par rapport à une perpendiculaire à l'axe longitudinal, de sorte que l'axe de perçage de ces trous (toujours disposé à 90° de l'axe de la rangée) est également écarté de 20° par rapport à cet axe longitudinal. Enfin, la troisième zone C, io commençant en aval des trous de dilution et se terminant à l'extrémité de la chambre, présente également une pluralité de rangées parallèles de trous de refroidissement 44, mais cette fois chacune inclinée d'un même angle d'inclinaison a3 supérieur au précédent 02, par exemple 30°, par rapport à une perpendiculaire à l'axe longitudinal, de sorte que l'axe de 15 perçage de ces trous (toujours disposé à 90° de l'axe de la rangée) est aussi écarté de 30° par rapport à l'axe moteur 10. Bien entendu, la troisième zone pourra comporter elle-même plusieurs zones inclinées chacune d'un angle d'inclinaison différent et allant croissant vers l'extrémité aval de la paroi annulaire pour suivre mieux encore la giration 20 de l'écoulement qui va lui aussi croissant à l'extrémité de cette paroi annulaire. Avec cette configuration, particulièrement adaptée à une chambre de combustion disposée en aval d'un compresseur centrifuge muni de redresseurs axiaux, les axes de perçage des trous de refroidissement 25 épousent la giration de l'écoulement F2 du flux d'air autour de la paroi interne 30. Bien entendu, une configuration semblable mais inversée doit être mise en oeuvre sur la paroi externe (non représentée) avec aussi trois zones dont les rangées successives de trous de refroidissement sont inclinées respectivement de -10°, -20° et -30° pour épouser la giration de 30 l'écoulement du flux File long de la paroi externe 28.

La figure 3 illustre un second exemple de configuration de perçage des trous de refroidissement 44 au niveau de la paroi annulaire externe 28. Dans cette configuration, la paroi externe est sectorisée en cinq zones parallèles s'étendant du fond de chambre, à l'extrémité amont de la paroi, à son extrémité aval opposée. Dans chacune de ces zones, les trous de refroidissement sont disposés en rangées parallèles circonférentielles toutes perpendiculaires à l'axe moteur 10 mais avec des axes géométriques de perçage différents dans chacune de ces zones. Ainsi, dans une première zone, à l'extrémité amont de la paroi la plus proche du Io fond de chambre et qui inclue le trou 28A pour le passage de la bobine d'allumage 42, les trous de refroidissement présentent par exemple un axe géométrique de perçage parallèle à l'axe moteur (donc avec un angle d'inclinaison de 0°). Dans une deuxième zone qui inclue les trous primaires 28B, les trous de refroidissement présentent un axe 15 géométrique de perçage inclinés d'un angle al, par exemple 10°, par rapport à l'axe moteur. Dans une troisième zone qui inclue les trous de dilution 28C, les trous de refroidissement présentent un axe géométrique de perçage inclinés d'un angle a2 supérieur à al, par exemple 20°, par rapport à l'axe moteur. Dans une quatrième zone en aval des trous de 20 dilution, les trous de refroidissement présentent un axe géométrique de perçage inclinés d'un angle a3 supérieur à a2, par exemple 30°, par rapport à l'axe moteur et dans une cinquième zone en aval de la précédente, les trous de refroidissement présentent un axe géométrique de perçage inclinés d'un angle a4 supérieur à a3, par exemple 40°, par 25 rapport à l'axe moteur. Cette disposition en rangées parallèles facilite la réalisation dans la mesure où la jonction entre zones est plus uniforme. Elle permet en outre de sectoriser la paroi en un nombre plus important de zones que la configuration précédente où, du fait de l'inclinaison progressive des rangées, les dernières zones à l'extrémité aval de la paroi 30 peuvent se limiter à quelques rangées de trous de refroidissement en nombre réduit. Elle est plus particulièrement adaptée à une chambre de combustion disposée en aval d'un compresseur centrifuge sans redresseurs axiaux qui présente de fait une giration de l'écoulement de l'air plus importante. Il est important de noter que le principe de l'invention est aussi adaptable localement. Ainsi, sur la figure 3, on notera que les trous de refroidissement (par exemple 44A) qui entourent le trou de la bougie 28A présentent des axes géométriques de perçage différents des autres trous de refroidissement 44 de la zone sectorielle concernée pour se conformer à la direction 46 de l'écoulement autour de ce trou qui est lui-même lo différent de l'écoulement axial sur le reste de la zone. On notera enfin que si l'invention a été appliquée à une chambre de combustion à flux direct, elle est bien entendu aussi applicable à une chambre à flux inversé disposant à son extrémité opposée à la buse d'éjection de carburant d'un coude externe de retour. 15

Claims

REVENDICATIONS1. Paroi annulaire interne ou externe (28, 30) d'une chambre de combustion de turbomachine disposée en aval d'un compresseur centrifuge, comportant un côté froid et un côté chaud, ladite paroi annulaire comportant une pluralité de trous de refroidissement (44) chacun inclinés d'un angle d'inclinaison p par rapport à une normale N à ladite paroi annulaire et répartis selon une pluralité de rangées espacées axialement les unes des autres, pour permettre à l'air circulant du côté Io froid de ladite paroi annulaire de pénétrer du côté chaud, afin de former un film d'air de refroidissement le long de ladite paroi annulaire, caractérisée en ce que les axes géométriques de perçage de chacun desdits trous de refroidissement sont orientés selon une direction d'écoulement de l'air (F1, F2) circulant autour de ladite paroi annulaire, de 15 façon à garder tout le long de ladite paroi annulaire une alimentation en air sensiblement axiale au travers desdits trous de refroidissement.
2. Paroi annulaire de chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite paroi annulaire est divisée en une pluralité de zones comportant chacune plusieurs rangées parallèles 20 de trous de refroidissement (44) dont lesdits axes géométriques de perçage sont inclinés d'un angle d'inclinaison a par rapport à un axe longitudinal (10) de ladite paroi annulaire, chaque zone de ladite pluralité de zones ayant des trous de refroidissement avec un même angle d'inclinaison, différent de celui de la zone adjacente, et qui va croissant 25 d'une première zone à une extrémité amont de ladite paroi annulaire à une dernière zone à une extrémité aval de ladite paroi annulaire.
3. Paroi annulaire de chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite paroi annulaire est divisée en trois zones (A, B, C) présentant chacune une pluralité de rangées 30 parallèles de trous de refroidissement (44), lesdites rangées d'une première zone A étant chacune inclinée par rapport à un planperpendiculaire au dit axe longitudinal d'un même angle d'inclinaison al, lesdites rangées d'une deuxième zone B étant chacune inclinée par rapport au dit plan perpendiculaire au dit axe longitudinal d'un même angle d'inclinaison a2 supérieur au dit angle d'inclinaison al, et lesdites rangées d'une troisième zone C étant chacune inclinée par rapport au dit plan perpendiculaire au dit axe longitudinal d'un même angle d'inclinaison a3 supérieur au dit angle d'inclinaison a2.
4. Paroi annulaire de chambre de combustion selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite première zone A inclue des Io trous primaires (28B, 30B), ladite deuxième zone B inclue des trous de dilution (28C, 30C) et ladite troisième zone C commence en aval desdits trous de dilution et se termine à ladite extrémité aval de ladite paroi annulaire.
5. Paroi annulaire de chambre de combustion selon la 15 revendication 3, caractérisée en ce que ladite troisième zone comporte elle-même plusieurs zones inclinées chacune d'un angle d'inclinaison différent et allant croissant vers ladite extrémité aval de ladite paroi annulaire.
6. Paroi annulaire de chambre de combustion selon la 20 revendication 5, caractérisée en ce que ledit angle d'inclinaison, selon la paroi annulaire considérée, est compris entre 0° et 80° ou entre 0° et moins 80° et en valeur absolue augmente préférentiellement par palier de 10°.
7. Paroi annulaire de chambre de combustion selon la 25 revendication 2, caractérisée en ce que lesdits trous de refroidissement sont disposés en rangées circonférentielles parallèles perpendiculaires au dit axe longitudinal et présentent chacun, dans chacune des zones successives s'étendant d'une première zone à une extrémité amont de ladite paroi annulaire à une dernière zone à une extrémité aval de ladite 30 paroi annulaire, un axe géométrique de perçage incliné d'un même angled'inclinaison par rapport au dit axe longitudinal différent et allant croissant de ladite première zone à ladite dernière zone.
8. Paroi annulaire de chambre de combustion selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'une première zone inclue au moins un trou (28A) pour le passage d'une bougie d'allumage (42), une deuxième zone inclue des trous primaires (28B), une troisième zone inclue des trous de dilution (28C), une quatrième zone commence en aval desdits trous de dilution et au moins une cinquième zone se termine à ladite extrémité aval de ladite paroi annulaire.
9. Chambre de combustion comportant des parois annulaires externe (28) et interne (30) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 et un fond de chambre (32) maintenu en position sur lesdites parois annulaires externe et interne par des moyens de fixation (40).
10. Turbomachine comportant une chambre de combustion (26) selon la revendication 9.