FR3080168A1 - Ensemble pour une chambre de combustion de turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un ensemble pour une chambre de combustion d'une turbomachine, comportant une virole annulaire (3) s'étendant selon un axe longitudinal, ladite virole (3) comportant une surface intérieure destinée à être tournée vers un foyer de la chambre de combustion et une surface extérieure (25) opposée à la surface intérieure, la virole (3) comprenant un élément perturbateur, la virole (3) comportant au moins une première zone (29) comportant des premières perforations (30), la virole (3) comportant une seconde zone (31) située directement en aval de l'élément perturbateur, la seconde zone (31) comportant plusieurs rangées (34) de secondes perforations (32) traversant ladite virole (3).

Description

ENSEMBLE POUR UNE CHAMBRE DE COMBUSTION DE TURBOMACHINE

DOMAINE [001] La présente invention concerne un ensemble pour une chambre de combustion d’une turbomachine.

CONTEXTE [002] La figure 1 illustre une chambre annulaire de combustion 1 pour une turbomachine de l’art antérieur. La chambre de combustion 1 comporte une chambre annulaire de combustion montée dans un carter annulaire externe 2. La chambre de combustion 1 comprend une virole externe 3 de révolution, une virole interne 4 de révolution, et un fond de chambre 5 sur lesquels sont montés des carénages s’étendant vers l’amont. Les termes amont et aval sont définis par rapport au sens de circulation des flux de gaz dans la turbomachine et sont référencés respectivement AM et AV sur la figure 1.

[003] Des cannes 6 d’injection de carburant, réparties autour de l’axe de la turbomachine 7, débouchent dans le fond de chambre 5, par des têtes d’injection 8. Des systèmes d’injection 9 sont disposés autour de chaque tête d’injection 8.

[004] Le flux d’air fourni par le compresseur de la turbomachine est guidé par les carénages et est partagé en une veine centrale destinée à alimenter la chambre de combustion 1 et en deux veines périphériques 10, 11 destinées à contourner la chambre de combustion 1 et formant de l’air de refroidissement.

[005] Les systèmes d’injection 9 forment un flux d’air entrant de manière tourbillonnante dans une zone de combustion primaire de la chambre de combustion 1. Cet air est mélangé au carburant pulvérisé par les têtes d’injection 8, le mélange étant allumé par au moins une bougie 12.

[006] La bougie 12 est montée, par son extrémité externe, dans un orifice 13 du carter externe 2, par l’intermédiaire d’un dispositif de fixation 14. L'extrémité interne 15 de la bougie 12 traverse un orifice 16 ménagé dans la virole externe 3, jusqu’à affleurer sensiblement la surface intérieure 17 de la virole externe 3.

[007] L’ orifice 16 de la virole externe 3 est équipé de moyens de guidage 18 de la bougie 12, mieux visibles à la figure 2. Les moyens de guidage 18 comprennent une cheminée tubulaire 19 fixée sur la virole externe 3 et débouchant dans la chambre 1 par ledit orifice 16, ainsi qu’un guide 20 entourant la bougie 12 et monté avec un jeu axial et transversal dans une gorge 21 de la cheminée 19 sur la cheminée 19.

[008] Les virole interne et externe 4, 3 de la chambre de combustion 1 comportent des orifices d’entrée d’air primaire 22 et d’air de dilution 23, et des zones présentant des multiperforations 24 pour le passage d’air de refroidissement.

[009] L’air de refroidissement circule axialement de l’amont vers l’aval le long de la surface externe 25 de la virole externe 3. Les moyens de guidage 18 de la bougie 12 forment un obstacle perturbant l’écoulement de l’air de refroidissement dans la zone 26 située directement en aval desdits moyens de guidage 18. Il apparaît que cette perturbation entraîne une diminution de l’efficacité du refroidissement dans cette zone 26, provoquant des phénomènes de brûlure 27 et d’amorces de criques 28, illustrées à la figure 4, fragilisant la structure de la virole.

[010] Le même phénomène peut s’appliquer à tout type d’élément perturbateur du flux aérodynamique, tel par exemple qu’un trou ou qu’un évidement ménagé dans la virole, ou tel qu’un organe en saillie vers l’extérieur depuis la virole concernée.

RESUME DE L’INVENTION [011] L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes.

[012] A cet effet, l’invention concerne un ensemble pour une chambre de combustion d’une turbomachine, comportant une virole annulaire s’étendant selon un axe longitudinal, ladite virole comportant une surface intérieure destinée à être tournée vers un foyer de la chambre de combustion et une surface extérieure opposée à la surface intérieure, la virole comprenant un élément perturbateur, la virole comportant au moins une première zone comportant des premières perforations traversant ladite virole et réparties dans ladite première zone de façon à ce que l’écartement entre lesdites premières perforations soit au moins égal à un premier écartement, la virole comportant une seconde zone située directement en aval de l’élément perturbateur par rapport à un sens de circulation des gaz le long de la surface extérieure de la virole, la seconde zone comportant plusieurs rangées de secondes perforations traversant ladite virole et réparties dans ladite seconde zone de façon à ce que l’écartement entre lesdites secondes perforations soit inférieur au premier écartement, lesdites rangées étant réparties d’amont en aval dans la seconde zone, les secondes perforations étant orientées selon un axe apte à former un angle avec la normale à la surface extérieure au niveau des secondes perforations concernées, l’angle des secondes perforations d’au moins une partie des différentes rangées augmentant progressivement d’un pas angulaire, , caractérisé en ce que le pas angulaire est compris entre 1 et 10°, par exemple de l’ordre de 5°.

[013] Les termes intérieur et extérieur définissant les surfaces sont donnés par référence au foyer délimité par la chambre de combustion. On notera que la chambre de combustion peut comporter une virole annulaire radialement interne et une virole annulaire radialement externe. Les termes radial et axial sont définis par rapport à l’axe de la turbomachine, qui est également l’axe de la virole. La virole concernée par l’invention peut être la virole radialement externe ou la virole radialement interne. La surface dite intérieure de la virole interne est alors formée par la surface radialement externe de ladite virole radialement interne. Par ailleurs, la surface dite extérieure de la virole interne est formée par la surface radialement interne de ladite virole radialement interne.

[014] Le faible écartement des perforations de la seconde zone permet d’augmenter leur densité de manière à améliorer l’efficacité du refroidissement dans la seconde zone. De façon générale, l’écartement entre des perforations est défini comme la distance entre les axes de deux premières perforations adjacentes ou de deux secondes perforations adjacentes. L’écartement entre les secondes perforations peut donc être l’écartement entre deux secondes perforations adjacentes d’une même rangée, ou encore l’écartement entre deux secondes perforations adjacentes, appartenant à deux rangées adjacentes.

[015] L’angle de la rangée de secondes perforations située la plus en amont est par exemple de 0°. De préférence, l’angle des deux rangées de secondes perforations situées les plus en amont est par exemple de 0°. En d’autres termes, les secondes perforations de la rangée ou des rangées situées les plus en amont, c’est-à-dire à proximité immédiate de l’élément perturbateur, sont orientées perpendiculairement à la virole, l’angle augmentant ensuite progressivement.

[016] On définit par élément perturbateur tout élément de la virole susceptible de perturber de façon sensible l’écoulement du flux d’air à l’extérieur de la virole. L’élément perturbateur peut être un organe en saillie, un trou ou un évidement ménagé dans la virole, par exemple.

[017] L’angle des secondes perforations peut augmenter d’une rangée à l’autre. En variante, les rangées peuvent être organisées par groupes, l’angle des secondes perforations augmentant d’un groupe de rangées à l’autre, de l’amont vers l’aval. Le nombre de rangées par groupe n’est pas limité, il est par exemple égal inférieur ou égal à deux. Ce nombre est de préférence limité, par exemple inférieur ou égal à trois.

[018] Les secondes perforations sont inclinées de l’amont vers l’aval et de l’extérieur vers l’intérieur. Une inclinaison dans le sens inverse peut également être envisagée. En d’autres termes, certaines au moins des secondes perforations peuvent être inclinées de l’amont vers l’aval et de l’intérieur vers l’extérieur. Il est possible de prévoir des secondes perforations inclinées dans un sens et des secondes perforations inclinées dans l’autre sens, au sein d’une même rangée et/ou d’une rangée à l’autre.

[019] L’augmentation progressive de l’angle, avec un pas angulaire faible, permet d’éviter des disparités importantes de refroidissement au niveau des zones concernées de la virole. Par ailleurs, le faible angle des secondes perforations au niveau de la rangée située la plus en amont permet de loger cette rangée au plus près de l’élément perturbateur et d’améliorer ainsi l’efficacité du refroidissement.

[020] L’angle des perforations de la rangée située la plus en aval de la seconde zone correspond à l’angle des premières perforations adjacentes.

[021] De cette manière, l’angle augmente progressivement de l’amont vers l’aval, la transition entre les première et seconde zones étant assurée progressivement. On évite ainsi toute différence importante d’efficacité de refroidissement entre les première et seconde zones.

[022] L’angle des secondes perforations de la rangée la plus aval est par exemple compris entre 45 et 80°, par exemple entre 50 et 70°, par exemple de l’ordre de 60°.

[023] Les axes des secondes perforations peuvent être parallèles entre eux. [024] L’ axe de chaque seconde perforation peut être situé dans un plan passant par l’axe de la virole.

[025] Par opposition, une partie au moins des premières perforations peut être formée dans un ou plusieurs plans formant un angle avec l’axe de la virole, par exemple un angle compris entre 30 et 90° inclus. De telles perforations sont qualifiées de giratoires.

[026] Les secondes perforations ne sont alors pas des perforations giratoires.

[027] L’ écartement entre les secondes perforations peut être compris entre mm. 1 et 5mm [028] L’écartement entre les premières perforations peut être compris entre 2 et 10mm [029] De manière générale, l’écartement entre les secondes perforations peut être 1,5 à 5 fois plus faible que l’écartement entre les premières perforations.

[030] L’élément en saillie peut comporter des moyens de guidage d’une bougie d’allumage.

[031] Les moyens de guidage peuvent entourer une ouverture de la virole, ladite virole comportant au moins un trou de passage d’air primaire ou d’air de dilution, la seconde zone s’étendant axialement entre ladite ouverture et le trou de passage d’air primaire ou de dilution.

[032] La seconde zone peut s’étendre circonférentiellement sur une plage angulaire inférieure ou égale à la plage angulaire d’extension de l’élément perturbateur.

[033] Les moyens de guidage de la bougie peuvent comporter une cheminée tubulaire fixée sur la virole externe ou sur la platine, et débouchant dans la chambre par un orifice de la virole externe, ainsi qu’un guide annulaire entourant la bougie et monté avec un jeu axial et transversal sur la cheminée.

[034] La virole peut également comporter des trous permettant le passage d’air dit primaire et des trous permettant le passage d’air de dilution. Les trous d’air de dilution sont situés axialement en aval des trous d’air primaire. [035] Les premières perforations et/ou les secondes perforations peuvent présenter un diamètre compris entre 0,2 et 1 mm, de préférence entre 0,4 et 0,6 mm. Les perforations peuvent être réalisées par perçage laser.

[036] Les rangées de secondes perforations peuvent être rectilignes ou courbes, par exemple en arc de cercle.

[037] Les trous d’air primaire peuvent présenter un diamètre compris entre 5 à 15mm et les trous d’air de dilution peuvent présenter un diamètre compris entre 4 à 12mm.

[038] L’invention concerne également une turbomachine pour un aéronef comportant un ensemble du type précité.

[039] L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES la figure 1 est une vue en coupe axiale d’une chambre de combustion de l’art antérieur ;

la figure 2 est une vue en coupe axiale des moyens de guidage de la bougie et d’une partie de la virole externe de la chambre de combustion de la figure 1 ;

la figure 3 est une vue de dessus d’une partie de la virole externe de l’art antérieur, la figure 4 est une vue de dessus d’une partie de la virole externe de l’art antérieur, illustrant des fissures ou criques pouvant apparaître en fonctionnement ;

la figure 5 est une vue de dessus d’une partie de la virole externe selon une forme de réalisation de l’invention, la figure 6 est une vue schématique, en coupe axiale, de la seconde zone de la virole conformément à l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE [040] Les figures 5 et 6 représentent une partie d’un ensemble pour une chambre de combustion 1 d’une turbomachine selon une forme de réalisation de l’invention. L’ensemble comporte une virole annulaire, par exemple la virole externe 3 s’étendant selon un axe longitudinal 7. La virole comporte une surface intérieure 17 destinée à être tournée vers un foyer de la chambre de combustion 1 et une surface extérieure 25 opposée à la surface intérieure 17.

[041] La virole 3 comporte une ouverture 16 destinée au passage d’une bougie 12 d’allumage, des trous permettant le passage d’air dit primaire 22 et des trous permettant le passage d’air dit de dilution 23. Ladite ouverture 16 et lesdits trous 22, 23 présentent ici une forme circulaire.

[042] Les trous d’air de dilution 23 sont situés axialement en aval des trous d’air primaire 22. Les trous d’air primaire 22 peuvent présenter un diamètre compris entre 5 à 15 et les trous d’air de dilution 23 peuvent présenter un diamètre compris entre 4 à 12.

[043] La virole 3 comporte en outre des perforations 24, appelées également multiperforations 24 du fait de leur nombre important. La virole 3 comporte en particulier une première zone 29 comportant des premières perforations 30 et une seconde zone 31 comportant des secondes perforations 32. Lesdites perforations 30, 32 permettent le passage d’air de refroidissement au travers de la virole 3.

[044] Les premières perforations 30 s’étendent chacune selon un axe orienté de l’extérieur vers l’intérieur et de l’amont vers l’aval. L’angle entre l’axe de chaque première perforation 30 et la normale à la virole 3 au niveau de la première perforation 30 correspondante est par exemple compris entre 45 et 80°, par exemple entre 50 et 70°, par exemple de l’ordre de 60°.

[045] Les premières perforations 30 peuvent être situées au moins en partie, dans un plan passant par l’axe de la virole 3. En variante, une partie au moins des premières perforations 30 peut être formée dans un ou plusieurs plans formant un angle avec l’axe de la virole 3, par exemple un angle compris entre 30 et 90° inclus.

[046] Le diamètre des premières perforations 30 est par exemple compris entre 0,2 et 1 mm, de préférence entre 0,4 et 0,6 mm.

[047] L’ écartement entre les premières perforations 30, appelé premier écartement 33, est compris entre 4 à 6mm. Cet écartement est la distance entre les axes de deux premières perforations 30 adjacentes. Cet écartement est, dans cet exemple, sensiblement constant.

[048] Les secondes perforations 32 sont réparties en rangées 34 sur la seconde zone 31, les rangées 34 étant ici rectilignes et décalées l’une de l’autre de l’amont vers l’aval. L’écartement entre les secondes perforations 32 d’une même rangée 34 est ici sensiblement égal à l’écartement entre deux rangées 34 successives. De manière générale, l’écartement entre les secondes perforations 32 est compris entre 3 à 5mm. L’écartement entre les secondes perforations est la distance entre les axes de deux secondes perforations 30 adjacentes. Cet écartement est, dans cet exemple, sensiblement constant.

[049] Le diamètre des secondes perforations 32 est par exemple compris entre 0,2 et 1 mm, de préférence entre 0,4 et 0,6 mm.

[050] Chaque seconde perforation 32 s’étend selon un axe selon un axe apte à former un angle avec la normale à la surface extérieure 25 au niveau des secondes perforations 32 concernées. Les axes des secondes perforations 32 sont parallèles entre eux. L’axe de chaque seconde perforation 32 est situé dans un plan passant par l’axe de la virole. Les secondes perforations 32 ne sont ainsi pas des perforations dites giratoires. [051] L’angle de la rangée 34a de secondes perforations 32 située la plus en amont est par exemple de 0°. De préférence, l’angle des deux rangées 34a, 34b de secondes perforations 32 situées les plus en amont est par exemple de 0°. En d’autres termes, les secondes perforations 32 de la rangée 34a ou des rangées 34a, 34b situées les plus en amont, c’est-à-dire à proximité immédiate de l’ouverture 16, sont orientées perpendiculairement à la virole 3, l’angle augmentant ensuite progressivement.

[052] L’angle des secondes perforations 32 des rangées suivantes 34c à 34I, c’est-à-dire des rangées situées en aval des deux premières rangées 34a, 34b, augmente progressivement d’un pas angulaire, d’une rangée 34 à l’autre et de l’amont vers l’aval. Le pas angulaire est compris entre 1 et 10°, par exemple de l’ordre de 5°. L’angle de la troisième rangée 34c est ici de

15°, cet angle augmentant ensuite progressivement par pas angulaire de 5° vers l’aval, jusqu’à la douzième rangée 34I où cet angle atteint 60°, et est égal à l’angle des premières perforations 30, située dans la première zone 29.

[053] Les premières et secondes perforations 30, 32 peuvent être réalisées par perçage laser.

[054] Des moyens de guidage 18 de la bougie 12 sont montés sur la virole 3, au niveau de l’ouverture 16. Les moyens de guidage 18 comportent une cheminée 19 tubulaire présentant une première extrémité 35 fixée à la virole 3, par exemple par soudage, et entourant l’ouverture 16 de la virole 3, et une seconde extrémité 36 opposée, de plus grand diamètre que la première extrémité 35, et délimitant une gorge annulaire 21. La cheminée 19 peut comporter des trous 37 orientés perpendiculairement à l’axe 38 de la cheminée 19 et répartis sur la circonférence de la cheminée 19.

[055] Un guide 20 annulaire est monté sur la cheminée 19. Le guide 20 comporte une surface tronconique 39 s’évasant à l’opposé de la virole 3 et un rebord annulaire 40 monté avec un jeu radial et axial dans la gorge 21 de la cheminée 19, comme cela est connu en soi. La bougie 12 est destinée à être engagée dans le guide 20 et dans la cheminée 19, l'extrémité interne 15 de la bougie 12 traversant l’ouverture 16 de la virole 3, jusqu’à affleurer sensiblement la surface intérieure 17 de la virole 3.

[056] La virole peut être une virole radialement externe 3, comme décrit précédemment, ou une virole radialement interne 4 d’une chambre de combustion 1 de turbomachine.

[057] La grande densité des secondes perforations 32 ainsi que leur implantation permettent d’améliorer le refroidissement de la seconde zone 31, moins favorisée par la circulation du flux d’air.

[058] On notera que l’invention est applicable à tout élément perturbateur de la virole 3, 4, et n’est pas limitée au cas de moyens de guidage 18 d’une bougie 12.

Claims (10)

1. Ensemble pour une chambre de combustion (1) d’une turbomachine, comportant une virole annulaire (3, 4) s’étendant selon un axe longitudinal (7), ladite virole (3, 4) comportant une surface intérieure (17) destinée à être tournée vers un foyer de la chambre de combustion (1) et une surface extérieure (25) opposée à la surface intérieure (17), la virole (3, 4) comprenant un élément perturbateur (18), la virole (3, 4) comportant au moins une première zone (29) comportant des premières perforations (30) traversant ladite virole (3, 4) et réparties dans ladite première zone (29) de façon à ce que l’écartement entre lesdites premières perforations (30) soit au moins égal à un premier écartement (33), la virole (3, 4) comportant une seconde zone (31) située directement en aval de l’élément perturbateur (18) par rapport à un sens de circulation des gaz le long de la surface extérieure (25) de la virole (3, 4) caractérisé en ce que la seconde zone (31) comporte plusieurs rangées (34) de secondes perforations (32) traversant ladite virole (3, 4) et réparties dans ladite seconde zone (31) de façon à ce que l’écartement entre lesdites secondes perforations (32) soit inférieur au premier écartement (33) , lesdites rangées (34) étant réparties d’amont en aval dans la seconde zone (31), les secondes perforations (32) étant orientées selon un axe apte à former un angle avec la normale à la surface extérieure (25) au niveau des secondes perforations (32) concernées, l’angle des secondes perforations (32) d’au moins une partie des différentes rangées (34) augmentant progressivement d’un pas angulaire, de l’amont vers l’aval, le pas angulaire étant compris entre 1 et 10°, par exemple de l’ordre de 5°.

2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’élément perturbateur est un élément en saillie (18) s’étendant radialement depuis la surface extérieure (25) de la virole (18).

3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce l’angle des perforations de la rangée située la plus en aval (34I) de la seconde zone (31) correspond à l’angle des premières perforations (30) adjacentes.

4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’axe de chaque seconde perforation (32) est situé dans un plan passant par l’axe de la virole (7).

5. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’écartement entre les secondes perforations (32) est compris entre 1 et 5 mm.

6. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’écartement (33) entre les premières perforations (30) est compris entre 2 et 10 mm.

7. Ensemble selon l’une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l’élément en saillie (18) comporte des moyens de guidage (18) d’une bougie d’allumage (12).

8. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de guidage (18) entourent une ouverture (16) de la virole (3, 4), ladite virole (3, 4) comportant au moins un trou de passage d’air primaire (22) ou d’air de dilution (23), la seconde zone (31) s’étendant axialement entre ladite ouverture (16) et le trou de passage d’air primaire (22) ou de dilution (23).

9. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la seconde zone (31) s’étendant circonférentiellement sur une plage angulaire inférieure ou égale à la plage angulaire d’extension de l’élément perturbateur (18).

10. Turbomachine pour un aéronef, caractérisée en ce qu’elle comporte un ensemble selon l’une des revendications 1 à 9.