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CA 02592626 2007-06-27
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Titre de I invention
Agencement pour chambre de combustion de turbomachine ayant un
déflecteur à collerette
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des
chambres de combustion de turbomachine. Elle vise plus particulièrement
un agencement d'une chambre de combustion du type comportant un
fond de chambre percé d'au moins une ouverture circulaire, un système
d'injection associé à l'ouverture et un déflecteur monté du côté aval du
fond de chambre dans l'ouverture.
De façon générale, une chambre de combustion annulaire de
turbomachine comprend deux parois annulaires longitudinales (une paroi
interne et une paroi externe) qui sont reliées à leur extrémité amont
respective par une paroi transversale également annulaire formant fond
de chambre. Celui-ci est muni d'une pluralité d'ouvertures circulaires
régulièrement espacées et dans lesquelles sont montés des systèmes
dinjection d'un mélange air/carburant destiné à être brûlé à I intérieur de
la chambre de combustion.
Le carburant est fourni aux systèmes d'injection par
l'intermédiaire d'injecteurs solidaires du carter de turbomachine et dont les
têtes sont centrées sur les systèmes d injection. Quant à l'air, il est
introduit dans chaque système d'injection au moyen d'une ou plusieurs
vrilles d'air débouchant en aval de la tête de l'injecteur de carburant. En
outre, un bol évasé vers l'aval est monté dans chaque ouverture afin
d'assurer une bonne répartition du mélange air/carburant dans la zone
primaire du foyer de combustion. Enfin, un déflecteur monté dans chaque
ouverture du fond de chambre du côté aval de celui-ci assure une
protection thermique du fond de chambre contre les températures élevées
des gaz issus de la combustion du mélange air/carburant dans la chambre
de combustion.
Des différences de dilatation thermique existent entre le carter
de turbomachine dont sont solidaires les injecteurs de carburant et les
parois de la chambre de combustion. Afin de rattraper ces écarts de
dilatation, il est donc nécessaire de prévoir un certain degré de liberté
entre la chambre de combustion et les systèmes d'injection. A cet effet, il
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peut être prévu de centrer la tête des injecteurs de carburant sur une
traversée coulissante pouvant se déplacer radialement par rapport au
système d'injection (on se réfèrera par exemple au document EP
0 833 107). Alternativement, dans certaines situations, le défaut de
concentricité entre l'injecteur et le système d'injection associé n'est pas
acceptable de sorte que le rattrapage des écarts de dilatation doit se faire
par coulissement du système d'injection par rapport au fond de chambre.
Linvention concerne un agencement de ce dernier type.
Une autre contrainte d'un tel agencement doit être respectée.
En cas de rupture d'une des brasures ou soudures par lesquelles les
pièces constitutives de l'agencement sont assemblées, il est en effet
impératif d'éviter que l'une de ces pièces se détache et tombe à l'intérieur
de la chambre de combustion avec le risque de venir endommager la
turbine haute-pression montée en sortie de la chambre. Pour parer à une
telle éventualité, il est connu de donner aux pièces constitutives de
l'agencement un diamètre supérieur à celui de l'ouverture du fond de
chambre et de les monter par le côté amont du fond de chambre.
En outre, il est de pratique courante de munir le bol du système
d'injection d'une collerette qui fait saillie à l'intérieur du fond de chambre
et qui s'étend parallèlement à celui-ci. Une telle collerette a pour fonction
principale de protéger le système d'injection contre les flammes de
combustion en cas de décentrage du système d'injection par rapport au
fond de chambre. Or, avec un agencement dont les pièces constitutives
sont montées par l'amont du fond de chambre, la collerette du bol qui doit
traverser l'ouverture du fond de chambre présente nécessairement un
diamètre inférieur à celui de l'ouverture. Il en résulte qu'en cas de
décentrage important du système d injection par rapport au fond de
chambre, la collerette du bol n'assure plus sa fonction de protection
thermique contre les flammes de combustion.
Objet et résumé de I invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels
inconvénients en proposant un agencement pour chambre de combustion
de turbomachine qui permet de protéger efficacement le système
d'injection contre les flammes de combustion quelque soit le décentrage
du système d'injection par rapport au fond de chambre, tout en assurant
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qu'aucune de ses pièces constitutives ne tombe à l'intérieur de la chambre
de combustion en cas de rupture d'une brasure ou soudure.
Ces buts sont atteints grâce à un agencement pour chambre de
combustion de turbomachine, comportant un fond de chambre percé d'au
moins une ouverture sensiblement circulaire, un déflecteur monté du côté
aval du fond de chambre dans l'ouverture par l'intermédiaire d'un fourreau
annulaire, un système d'injection associé à l'ouverture et comportant un
bol annulaire évasé vers l'aval qui traverse l'ouverture, et des moyens
permettant d'autoriser un décentrage du système d'injection par rapport
au fond de chambre, et dans lequel, conformément à l'invention, le
déflecteur comporte une collerette annulaire s'étendant radialement vers
l'intérieur et le bol du système d injection comporte à son extrémité aval
une gorge annulaire ouverte vers l'extérieur et alignée radialement avec la
collerette du déflecteur de sorte que celle-ci puisse se rétracter dans ladite
gorge en cas de décentrage du système d'injection par rapport au fond de
chambre.
La présence de la collerette du déflecteur permet de protéger
efficacement le bol du système d'injection contre les flammes de
combustion quelque soit le décentrage du système d'injection par rapport
au fond de chambre. En outre, avec un tel agencement, toutes les pièces
constitutives du système d'injection peuvent être de diamètre supérieur à
celui de l'ouverture du fond de chambre et montées par l'amont, ce qui
garantit qu'aucune de ces pièces ne peut passer au travers de l'ouverture
et tomber à l'intérieur de la chambre de combustion notamment en cas de
brasure ou soudure défectueuse.
Selon une disposition avantageuse de l'invention, la gorge
annulaire du bol est formée de deux parois latérales espacées axialement
et reliées par un fond annulaire, la distance entre lesdites parois latérales
de la gorge étant supérieure à l'épaisseur de la collerette du déflecteur de
façon à autoriser une circulation de l'air de ventilation quelque soit le
décentrage du système d'injection par rapport au fond de chambre.
Selon une autre disposition avantageuse de l'invention, les
moyens permettant d'autoriser un décentrage du système d injection par
rapport au fond de chambre se composent d'une bague de pincement
montée du côté amont du fond de chambre et fixée contre le fourreau
avec lequel ils déflnissent une rainure annulaire ouverte du côté de l'axe
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de l'ouverture du fond de chambre, le bol du système d'injection
comportant en outre un flasque annulaire apte à coulisser radialement
dans la rainure formée par la bague de pincement et le fourreau.
De préférence, le flasque du bol se prolonge en aval par une
partie sensiblement cylindrique qui se raccorde à la gorge par un
épaulement annulaire. Dans ce cas, l'épaulement du bol est
avantageusement percé d'une pluralité de trous de ventilation s'ouvrant
du côté amont du fond de chambre et débouchant du côté aval de celui-ci
en regard de la collerette du déflecteur.
Selon encore une autre disposition avantageuse de l'invention,
la hauteur radiale de la collerette du déflecteur est de préférence au
moins égale à celle du flasque du bol de façon à protéger le système
d'injection quelque soit le décentrage du système d'injection par rapport
au fond de chambre.
Selon encore une autre disposition avantageuse de l'invention,
le système d'injection comporte en outre au moins une vrille d'air fixée à
l'extrémité amont du bol et une bague de centrage fixée à l'extrémité
amont de la vrille d'air et entourant un injecteur de carburant.
L'invention a aussi pour objet une chambre de combustion et
une turbomachine comportant un agencement tel que défini
précédemment.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins
annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout
caractère limitatif. Sur les figures :
- la figure 1 est une vue partielle et en coupe d'une chambre de
combustion comportant un agencement selon l'invention ; et
- les figures 2 et 3 sont des vues correspondant à la figure 1
dans lesquelles le système d'injection est décentré par rapport au fond de
chambre.
Description détaillée d'un mode de réalisation
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Les figures 1 à 3 représentent partiellement une vue en coupe
d'une chambre de combustion de turbomachine 2 équipée d'un
agencement selon l'invention.
De façon bien connue en soi, une telle chambre de combustion
5 2 est formée d'une paroi annulaire longitudinale interne et d'une paroi
annulaire longitudinale externe (ces parois ne sont pas représentées sur la
figure 1), ces parois étant reliées à leur extrémité amont respective par
une paroi annulaire transversale 4 formant fond de chambre.
Le fond de chambre 4 présente un côté amont 4a et un côté
aval 4b, ce dernier étant dirigé vers l'intérieur de la chambre de
combustion 2. Le fond de chambre est percé d'une pluralité d'ouvertures 6
qui sont régulièrement espacées et qui présentent chacune une forme
sensiblement circulaire d'axe X-X. Un système d'injection 8 d'un mélange
air/carburant est associé à chacune de ces ouvertures 6.
Un déflecteur 10 protégeant le fond de chambre 4 des flammes
de combustion est également monté dans chacune des ouvertures 6 du
côté aval 4b du fond de chambre par l'intermédiaire d'un fourreau
annulaire 12 faisant saillie du côté amont.
Conformément à l'invention, le déflecteur 10 présente une
collerette annulaire 14 qui s'étend radialement vers l'intérieur (c'est-à-dire
vers l'axe X-X de l'ouverture 6 du fond de chambre). Comme expliqué
ultérieurement, cette collerette 14 du déflecteur a pour rôle de protéger le
système d'injection contre les flammes de combustion.
Chaque système d'injection 8 possède un axe de révolution Y-Y
et se compose notamment d'un injecteur de carburant solidaire du carter
de turbomachine (non représenté sur les figures). La tête 16 de l'injecteur
est disposée du côté amont 4a du fond de chambre 4 et elle est centrée
sur l'axe Y-Y du système d'injection par l'intermédiaire d'une bague de
centrage 18 qui l'entoure.
Une ou plusieurs vrilles d'air 20 éventuellement munies d'un
venturi 22 sont fixées à l'extrémité aval de la bague de centrage 18 du
système d'injection. Ce ou ces vrilles d'air 20 permettent à de l'air de
pénétrer dans le système d'injection selon une direction essentiellement
radiale et de se mélanger au carburant délivré par la tête 16 de l'injecteur
de carburant. Le mélange air/carburant pénètre alors dans la chambre de
combustion 2 pour y être enflammé.
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Chaque système d'injection 8 comporte également une bague
24 dite de pincement qui est montée du côté amont 4a du fond de
chambre 4 et fixée contre le fourreau 12 de maintien du déflecteur 10.
Cette bague de pincement 24 est centrée sur l'axe X-X de l'ouverture 6 du
fond de chambre et définit avec le fourreau 12 une rainure annulaire 26
qui est ouverte du côté de l'axe X-X.
Chaque système d'injection 8 comporte encore un bol 28 fixé
contre l'extrémité aval de la vrille d'air 20 et dont la fonction est
d'assurer
une bonne répartition du mélange air/carburant dans la zone primaire du
foyer de combustion.
Le bol 28 est monté dans l'ouverture 6 correspondante du fond
de chambre 4 et traverse celle-ci. II se présente sous une forme générale
d'un anneau centré sur l'axe Y-Y du système d'injection et se termine à
son extrémité aval par une gorge annulaire 30 à section en U qui est
ouverte vers l'extérieur (c'est-à-dire du côté opposé à l'axe X-X de
l'ouverture du fond de chambre) et alignée radialement avec la collerette
14 du déflecteur 10.
A son extrémité amont, le bol 28 comporte un flasque annulaire
32 monté du côté amont 4a du fond de chambre 4 et apte à coulisser
radialement à l'intérieur de la rainure 26 formée entre la bague de
pincement 24 et le fourreau 12 de maintien du déflecteur 10 de façon à
autoriser un décentrage du système d'injection 8 par rapport au fond de
chambre 4.
Ainsi, la tête 16 de l'injecteur de carburant et l'ensemble du
système d'injection 8 sont montés coulissant par rapport au fond de
chambre 4 afin de rattraper les écarts de dilatation thermique entre le
carter et la chambre de combustion. Avec ce type d'agencement, la tête
16 de l'injecteur de carburant reste donc en permanence centrée par
rapport au système d'injection 8.
Le flasque 32 du bol se prolonge vers l'aval par une partie 34
sensiblement cylindrique de diamètre inférieur à celui de l'ouverture 6 et
qui se raccorde à la gorge 30 par un épaulement annulaire 36 du côté
amont de celle-ci. La gorge 30 est disposée derrière une bride annulaire
38 qui s'étend radialement vers l'extérieur et dont le diamètre est inférieur
à celui de l'épaulement 36.
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La gorge 30 du bol est formée de deux parois latérales
annulaires qui sont espacées axialement et reliées à leur extrémité
intérieure par un fond annulaire 40, l'une de ces parois 42 étant reliée à
son extrémité extérieure à l'épaulement 36 et l'autre paroi 44 étant reliée
à son extrémité extérieure à la bride 38.
La bride 38 est la partie du bol qui est située le plus en aval.
Cette bride se prolonge vers l'amont par une partie 46 qui est évasée vers
l'aval, cette partie évasée 46 se prolongeant elle-même vers l'amont par
une partie cylindrique 48 qui est concentrique à la partie cylindrique 34 du
bol (et de diamètre inférieur à celle-ci) et se raccorde à la vrille d'air 20.
La partie évasée 46 du bol est percée d'une pluralité de trous
d'introduction d'air 50.
L'épaulement 36 du bol est également percé d'une pluralité de
trous de ventilation 52 s'ouvrant du côté amont du fond de chambre 4 et
débouchant du côté aval de celui-ci en regard de la collerette 14 du
déflecteur 10. L'air circulant au travers de ces trous de ventilation 52 vient
refroidir par l'amont la collerette 14 du déflecteur, puis circule dans la
gorge 30 du bol afin de créer un film d'air circulant ensuite radialement le
long du côté aval du déflecteur 10 afin de refroidir ce dernier.
On décrira maintenant le fonctionnement d'un tel agencement
notamment en cas de décentrage du système d'injection 8 par rapport au
fond de chambre 4.
Sur la figure 1, il n'y a aucun décentrage entre le système
d'injection 8 par rapport au fond de chambre 4(l'axe X-X de l'ouverture 6
du fond de chambre est aligné avec l'axe de révolution Y-Y du système
d'injection). Dans cette situation, la collerette 14 du déflecteur 10 qui
s'étend radialement vers l'intérieur assure bien une protection thermique
efficace du système d'injection (et notamment du flasque 32) contre les
flammes de combustion.
La figure 2 représente l'un des deux cas possibles de décentrage
maximum entre le système d'injection et le fond de chambre (l'axe de
révolution Y-Y du système d'injection est décalé radialement vers
l'extérieur par rapport à l'axe X-X de l'ouverture du fond de chambre).
Dans cette situation, la distance radiale séparant l'épaulement 36 du fond
40 de la gorge 30 du bol est de préférence au moins égale à la hauteur
radiale de la collerette 14 du déflecteur 10 de sorte que cette collerette
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peut se rétracter entièrement dans la gorge du bol. Le flasque 32 du
système dinjection qui est complètement rétracté dans la rainure 26 est
ainsi bien protégé contre les flammes de combustion.
La figure 3 représente l'autre cas possible de décentrage
maximum entre le système d'injection et le fond de chambre (l'axe de
révolution Y-Y du système d'injection est décalé radialement vers
l'intérieur par rapport à l'axe X-X de l'ouverture du fond de chambre).
Dans cette situation, la collerette 14 du déflecteur 10 continue d'assurer
son rôle de protection thermique du système d'injection contre les
flammes de combustion en couvrant entièrement le flasque 32. Ceci est
du au fait que la hauteur radiale de la collerette 14 du déflecteur est de
préférence au moins égale à celle du flasque 32 du bol.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la distance
séparant les parois latérales 42, 44 de la gorge 30 du bol est supérieure à
l'épaisseur de la collerette 14 du déflecteur 10 de façon à autoriser une
circulation de l'air de ventilation traversant les trous 52 percés dans
l'épaulement 36 quelque soit le décentrage du système d'injection par
rapport au fond de chambre. Ainsi, dans le cas extrême de décentrage de
la figure 2, I'air de ventilation empruntant les trous 52 continue de circuler
à l'intérieur de la gorge 30 en contournant la collerette 14 du déflecteur.
Le montage de l'agencement selon l'invention s'effectue de la
manière suivante. Le fourreau 12 de maintien du déflecteur, le bol 28, la
bague de pincement 24, la vrille d'air 20 et la bague de centrage 18 sont
montés par l'amont (c'est-à-dire par le côté amont 4a du fond de chambre
4) et fixés les uns aux autres (par brasure ou par soudure par exemple).
Le déflecteur 10 est quant à lui monté dans l'ouverture 6 du fond de
chambre 4 par l'aval (c'est-à-dire par le côté aval 4b du fond de chambre)
puis fixé au fourreau 12.
On comprend ainsi que, même en cas de rupture de la brasure
ou de la soudure de liaison entre les différentes pièces constitutives du
système d'injection, aucune d'entre elles ne peut pas tomber dans la
chambre de combustion 2.
On comprend également que compte tenu que le déflecteur 10
est monté par l'aval, la collerette 14 de celui-ci peut présenter un diamètre
inférieur à celui de l'ouverture 6 du fond de chambre 4 qui est choisi en
fonction des écarts maximums de décentrage possible du système
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d'injection par rapport au fond de chambre afin d'assurer en permanence
une protection thermique du système d'injection contre les flammes de
combustion.
