Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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Séparateur pour alimentation de l'air
de refroidissement d'une turbine
La présente invention concerne le domaine des chambres de
combustion annulaires.
Dans la description qui suit les termes "amont" et "aval" sont définis
par rapport au sens de circulation normal de l'air le long de l'extérieur de
la paroi annulaire de la chambre de combustion. Les termes
"intérieur"/"interne" et "extérieur"/"externe" caractérisent une position
plus ou moins éloignée de l'axe principal de la chambre de combustion,
sauf s'il en est précisé autrement.
Les turbomachines actuelles sont munies d'une chambre de
combustion annulaire dont l'axe de symétrie est l'axe principal de la
turbomachine. Une telle chambre est représentée sur la figure 5. Cette
chambre de combustion est typiquement délimitée par une paroi de fond
12 comportant les injecteurs de carburant 13 et les entrées d'air
comburant, et par une paroi annulaire 15 s'étendant dans la direction
longitudinale de la chambre 10 (qui correspond donc à la direction amont-
aval), sensiblement parallèle à l'axe principal A de la turbomachine (non-
représenté). La chambre 10 est fermée à son extrémité amont par la paroi
de fond 12, et est ouverte à son extrémité aval 17, selon sa direction
longitudinale, pour permettre l'évacuation des gaz brulés. Cette paroi
annulaire 15 est typiquement constituée d'une virole interne (paroi
radialement interne) 151 annulaire et d'une virole externe (paroi
radialement externe) 152 annulaire. La virole interne 151 et la virole
externe 152 sont coaxiales par rapport à l'axe principal A de la
turbomachine, la virole interne 151 étant plus proche de l'axe principal de
la turbomachine que la virole externe 152, c'est-à-dire ayant un rayon
inférieur au rayon de la virole externe 152.
En amont de la paroi de fond 12, une paroi interne annulaire amont
11 de chambre 10 prolonge vers l'amont la virole interne 151.
La paroi annulaire 15 est percée sur toute sa superficie (ou une
majeure partie de celle-ci) de plusieurs orifices, plus ou moins grands, qui
sont destinés à permettre à l'air de pénétrer dans la chambre de
combustion 10. L'air qui longe la virole interne 151 à l'extérieur de la
chambre 10, et qui pénètre ensuite dans cette chambre par ces orifices
s'écoule entre cette virole interne 151 et une paroi appelée bride interne
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21 de chambre. Cette bride interne 21, annulaire et coaxiale avec la virole
interne 151 de la chambre, a donc un rayon inférieur à celui de cette
virole interne 151. La bride interne 21 est percée d'orifices, dont certains
(orifices amont 215) se situent sur sa partie amont, sensiblement en
regard de la partie centrale de la virole interne 21 de la chambre 10 (c'est-
à-dire à mi-chemin entre la paroi de fond 12 de la chambre 10 et
l'extrémité aval 217 de la bride interne 21). Ainsi, l'air qui longe la virole
interne 151 passe en partie par ces orifices amont 215. Une fois passé par
ces orifices amont, cet air va refroidir la roue de turbine HP (Haute
Pression) située en aval.
De par cette disposition de la paroi interne de la chambre de
combustion et des orifices de la bride interne, le flux d'air destiné à passer
par les orifices de la bride interne pour aller refroidir la roue de turbine
HP
subit l'influence de la chambre de combustion. En effet, cet air est, avant
de passer par ces orifices, en contact avec la paroi interne qui est chaude
et qui est de plus percée d'orifices d'entrée d'air, et cet air subit ainsi un
échauffement par convection. Cet air subit également un échauffement
par rayonnement au travers de ces orifices de la chambre, ce
rayonnement provenant des flammes de la combustion. De plus, les
instabilités de cette combustion génèrent dans ce flux d'air, au travers des
orifices de la chambre, des turbulences susceptibles de contribuer à
perturber l'alimentation de l'air de refroidissement de la roue HP.
Globalement, cet air subit donc un réchauffement qui est
préjudiciable puisque la fonction de cet air est d'aller refroidir la roue de
turbine HP.
L'invention vise à proposer un dispositif qui permette de diminuer le
réchauffement de l'air destiné à refroidir la roue de turbine HP, et de
diminuer la perturbation de cet air causé par les instabilités de combustion
provenant de la chambre de combustion.
Ce but est atteint grâce au fait que la chambre de combustion est
équipée d'un séparateur disposé entre la paroi radialement interne de la
chambre et la bride interne de la chambre, ce séparateur comprenant une
partie tubulaire centrée sur l'axe principal de la chambre de combustion et
dont l'extrémité amont se situe en amont des orifices de la paroi
radialement interne de la chambre, et une partie de fixation solidaire de la
chambre de combustion, de telle sorte que la partie tubulaire divise le flux
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d'air longeant cette paroi radialement interne en un flux d'air intérieur
passant entre cette partie tubulaire et la bride interne de la chambre, et
en un flux d'air extérieur passant entre la paroi radialement interne et
cette partie tubulaire.
Grâce à ces dispositions, le flux d'air intérieur, qui est destiné à
refroidir la roue de turbine HP n'est plus réchauffé par convection et
rayonnement par la paroi de la chambre et par le rayonnement de
flamme, et n'est plus perturbé par les instabilités de combustion issues
des orifices de la paroi interne de la chambre de refroidissement.
L'interaction indésirable entre la chambre de combustion et le flux d'air
destiné à refroidir la roue de turbine HP est donc fortement diminuée,
voire supprimée.
Avantageusement, la partie de fixation est une partie radiale qui
s'étend depuis la partie tubulaire vers l'axe principal, et est percée de
trous principaux destinés à laisser passer l'air de l'amont vers l'aval.
Le séparateur n'est donc pas fixé directement sur la paroi (chaude)
de la chambre, et n'est donc pas réchauffé par celle-ci par conduction
solide. Cette disposition est avantageuse puisque le séparateur doit être le
moins chaud possible pour ne pas réchauffer le flux d'air intérieur.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux,
à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation
représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux
dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue longitudinale d'une chambre de combustion
de turbomachine montrant un séparateur selon l'invention,
- la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un séparateur
selon l'invention illustrant sa fixation sur la turbomachine,
- la figure 3 est une vue en coupe et en perspective d'un séparateur
selon l'invention,
- la figure 4A est une vue en coupe transversale selon la ligne IV-IV
de la figure 3 d'un séparateur selon l'invention,
- la figure 4B est une vue en coupe transversale d'un autre mode de
réalisation d'un séparateur selon l'invention,
- La figure 5 est une vue longitudinale d'une chambre de
combustion de turbomachine selon l'art antérieur.
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La figure 1 représente une chambre de combustion 10 d'une
turbomachine et les structures connexes à celle-ci. Cette chambre, hors
les éléments selon l'invention, est identique à la chambre selon l'art
antérieur (figure 5) décrit plus haut. Les parties communes aux figures 1
et 5 ont par conséquent la même numérotation, et ne sont pas décrits à
nouveau. L'extrémité aval de la virole externe 152 se prolonge
radialement vers l'extérieur par une bride externe 22 annulaire, et
l'extrémité aval de la virole interne 151 se prolonge radialement vers
l'intérieur par une bride interne 21 annulaire. Ces brides sont donc
solidaires de la chambre 10. La bride externe 22 et la bride interne 21
sont attachées sur une paroi de carter 30 qui entoure la chambre 10, et
servent ainsi à fixer cette chambre sur ce carter qui est solidaire de la
turbomachine.
La bride interne 21 prolonge l'extrémité aval de la virole interne 151
vers l'intérieur puis vers l'amont, de telle sorte que la bride interne 21,
qui
est coaxiale avec la virole interne 151, a un rayon inférieur à celui de cette
virole interne 151. La bride interne 21 délimite ainsi avec la virole interne
151 une veine annulaire aval 40.
L'extrémité amont 211 de la bride interne 21 est radiale et est fixée
(par exemple par plusieurs boulons/écrous répartis circonférentiellement
le long de cette extrémité amont 211), sur une extrémité aval 301 radiale
de la paroi de carter 30. La paroi de carter 30 prolonge la bride interne
21 vers l'amont, délimitant ainsi avec la paroi interne annulaire amont 11
de la chambre 10 une veine annulaire amont 49 (qui se prolonge vers
l'aval par la veine annulaire aval 40).
L'extrémité amont 211 de la bride interne 21 se situe en direction
longitudinale sensiblement au niveau de la partie amont de la virole
interne 151 (qui se termine en amont environ au niveau de la paroi de
fond 12 de chambre). Dans l'exemple représenté sur les figures, cette
extrémité amont 211 se situe sensiblement au premier quart amont de la
longueur entre la paroi de fond 12 et l'extrémité aval 217 de la bride
interne 21 (cette extrémité aval 217 étant située à l'extrémité aval 17 de
la chambre 10).
Typiquement, la veine annulaire aval 40 va en se rétrécissant de
l'amont vers l'aval, de telle sorte que la dimension radiale de la veine
annulaire aval 40 au niveau de l'extrémité amont 211 de la bride interne
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21 est supérieure à la dimension radiale de la veine annulaire 40 au
niveau de l'extrémité aval 217 de la bride interne 21.
Comme expliqué plus haut, la bride interne 21 est percée d'orifices,
dont des orifices amont 215. La partie de l'air provenant de la veine
5 annulaire amont 49 qui passe par ces orifices amont 215 de la bride
interne 21 est destinée à aller refroidir la roue de turbine HP (non-
représentée). Sur la figure 1, cet air passe, après avoir traversé les
orifices
amont 215, au travers d'une structure 60 avant d'aller refroidir cette
turbine.
Selon l'invention, on place dans la veine annulaire aval 40, c'est-à-
dire entre la virole interne 151 et l'ensemble constitué par la bride interne
21 et la paroi de carter 30, un séparateur 70. Comme représenté sur les
figures 2 et 3, ce séparateur 70 comprend une partie tubulaire 76 centrée
sur l'axe principal A de la chambre de combustion 10, et une partie radiale
71 s'étendant radialement depuis la partie tubulaire 76 vers l'axe principal
A, et percée de trous principaux 72 orientés selon l'axe principal A.
Par exemple, la partie radiale 71 du séparateur 70 se raccorde à la
partie tubulaire 76 du séparateur 70 dans la moitié amont de cette partie
tubulaire 76. Par exemple, la partie radiale 71 se raccorde à la partie
tubulaire 76 au niveau du premier quart amont ou du premier tiers amont
de la partie tubulaire 76.
Ainsi, comme représenté sur la figure 2, la partie tubulaire 76 du
séparateur 70 divise, depuis son extrémité amont 79, la veine annulaire
aval 40 en deux dans le sens amont-aval, d'une part en une veine
annulaire extérieure 81 située entre la virole interne 151 de la chambre 10
et cette partie tubulaire 76, et d'autre part en une veine annulaire
intérieure 82 située entre cette partie tubulaire 76 et l'ensemble constitué
par la bride interne 21 et la paroi de carter 30. Plus précisément, la
portion 78 de la partie tubulaire 76 située en amont de la partie radiale 71
du séparateur 70 se situe entre la paroi de carter 30 et la virole interne
151. La portion de la partie tubulaire 76 située en aval de la partie radiale
71 se situe entre la bride interne 21 et la virole interne 151.
La partie radiale 71 du séparateur 70 se situe donc à l'interface entre
la paroi de carter 30 et la bride interne 21. Le séparateur 70 est fixé à la
bride interne 21 par l'extrémité radialement intérieure de sa partie radiale
71.
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Par exemple, l'extrémité radialement intérieure de la partie radiale 71
est percée de trous de fixation 711 aptes à recevoir un dispositif de
fixation de ladite partie radiale (71) sur ladite bride interne (21). Par
exemple, cette fixation s'effectue par boulonnage. Ainsi, l'extrémité
radialement intérieure de la partie radiale 71 est insérée en sandwich
entre l'extrémité amont 211 radiale de la bride interne 21 et l'extrémité
aval 301 radiale de la paroi de carter 30. Les boulons qui maintiennent
cette extrémité amont 211 et cette extrémité aval 301 solidaires passent
au travers des trous de fixation 711, l'ensemble constitué de l'extrémité
amont 211, de l'extrémité intérieure de la partie radiale 71, et de
l'extrémité aval 301 étant serré par des écrous vissés sur ces boulons. Le
séparateur 70 est ainsi fermement maintenu en position dans la veine
annulaire aval 40.
Comme décrit ci-dessus, la partie tubulaire 76 du séparateur 70
divise la veine annulaire aval 40 dans le sens amont-aval en une veine
annulaire extérieure 81 située entre la virole interne 151 de la chambre 10
et cette partie tubulaire 76, et en une veine annulaire intérieure 82. La
partie tubulaire 76 ne comporte pas de trous, puisque sa fonction est de
séparer l'air circulant dans la veine annulaire extérieure 81 (et qui est
réchauffé par la chambre 10) de l'air circulant dans la veine annulaire
intérieure 82. Ainsi la partie tubulaire 76 fait écran entre l'air circulant
dans la veine annulaire intérieure 82 et la chambre 10.
L'air provenant de la veine annulaire amont 49 se divise donc dans la
veine annulaire aval 40, au niveau de l'extrémité amont 79 de la partie
tubulaire 76 du séparateur 70, en un flux d'air extérieur Fe passant dans la
veine annulaire extérieure 81, et en un flux d'air intérieur F; passant dans
la veine annulaire intérieure 82 (ces flux sont représentés par des flèches
sur la figure 2).
Ainsi, la section transversale (radiale) de la veine annulaire
extérieure 81 est plus faible que la section transversale de la veine
annulaire aval 40 en absence de séparateur 70. Par ailleurs, la partie
tubulaire 76 du séparateur 70, et en particulier sa portion 78 située en
amont de la partie radiale 71 du séparateur, est sensiblement parallèle à
la virole interne 151 de la chambre de combustion 10. La veine annulaire
extérieure 81 est donc de section transversale sensiblement constante, ce
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qui n'était pas le cas en absence de séparateur 70, la bride interne 21 se
rapprochant vers la virole interne 151 de l'amont vers l'aval.
Cette caractéristique de la veine annulaire extérieure 81 (section
transversale sensiblement constante) conduit à un meilleur écoulement
d'air, et donc à une augmentation du nombre de Mach dans la veine
annulaire extérieure 81. Cette augmentation du nombre de Mach permet
un meilleur refroidissement par convection de la virole interne 151 de la
chambre 10. Les essais effectués par les inventeurs montrent que
l'augmentation du nombre de Mach est de l'ordre de 10 à 20%.
En pénétrant dans la veine intérieure 82, le flux d'air intérieur F;
circule entre la paroi de carter 30 et la virole interne 151. Puis il traverse
les trous principaux 72 de la partie radiale 71 du séparateur 70 et
débouche dans la partie de la veine intérieure 82 délimitée par la bride
interne 21 et la virole interne 151. A l'extrémité aval 77 de sa partie
tubulaire 76, le séparateur 70 est en contact avec la bride interne 21, de
telle sorte que l'extrémité aval de la veine annulaire intérieure 82 est
fermée. Par exemple, l'extrémité aval 77 est en contact avec une portion
27 de la bride interne 21 qui est une excroissance annulaire comme
représenté sur la figure 2.
Comme indiqué plus haut, la bride interne 21 présente dans sa partie
amont des orifices amont 215. Ces orifices amont 215 sont situés entre la
portion 27 et l'extrémité amont 211 de la bride interne 21. Le flux d'air
intérieur F; doit donc passer par les orifices amont 215 de la bride interne
21 pour sortir de la veine annulaire intérieure 82. Ce flux d'air intérieur F;
circule ensuite en direction de la roue de turbine HP qu'il est destiné à
aller refroidir.
L'extrémité aval 77 du séparateur 70 peut être simplement coulissée
sur la portion 27 de la bride interne 21, ce qui aide au centrage du
séparateur 70 sur la bride interne 21.
Alternativement, l'extrémité aval 77 du séparateur 70 peut être fixée
à la portion 27 de la bride interne 21, par exemple par brasage. De
préférence la fixation ne se fait pas par boulonnage, ce qui permet un
assemblage plus aisé du séparateur 70 sur la bride interne 21. Le
séparateur 70 est donc fixé à la bride interne 21 à la fois par l'extrémité
radialement intérieure de sa partie radiale 71, et par l'extrémité aval 77 de
sa partie tubulaire 76. Cette double fixation du séparateur 70 permet une
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meilleure fixation de celui-ci sur la bride interne 21. De plus, la partie
radiale 71 du séparateur 70 se raccordant à la partie tubulaire 76 du
séparateur 70 dans la moitié amont de cette partie tubulaire 76, le
séparateur 70 est fixé à la bride interne 21 par son amont et son aval, ce
qui améliore la stabilité du positionnement du séparateur 70, et rigidifie la
structure.
Plus généralement, le séparateur 70 peut comporter, au lieu de la
partie radiale 71, une partie de fixation qui est solidaire de la chambre de
combustion 10.
Par exemple, le séparateur 70 peut être fixé rigidement (par exemple
par soudage) par l'extrémité aval 77 de sa partie tubulaire 76 sur la bride
interne 21 (par exemple sur la portion 27 de la bride interne 21). Dans ce
cas, le séparateur 70 comporte uniquement la partie tubulaire 76 et ne
comporte pas de partie radiale 71, et l'extrémité aval 77 est la partie de
fixation. Cette solution présente l'avantage que le flux d'air intérieur Fi
circule dans la veine annulaire intérieure 82 sans obstacle (puisqu'il n'a
plus de partie radiale à traverser).
Alternativement, la partie de fixation peut se raccorder à la partie
tubulaire 76 dans la moitié amont de cette partie tubulaire 76.
L'extrémité amont 79 de la partie tubulaire 76 du séparateur 70 se
situe en amont des orifices de la virole interne 151 de la chambre 10.
Cette situation est représentée sur la figure 2, où l'extrémité amont 79 est
à une distance d en amont de l'orifice 51 de la virole interne 151 situé le
plus en amont. Cette distance d est par exemple comprise entre 15 et 20
mm.
On comprend donc que le flux d'air intérieur Fi est complètement
séparé de la virole interne 151 de la chambre 10 par la partie tubulaire 76
du séparateur 70. Le flux d'air intérieur F; n'est donc pas réchauffé par
convection au contact de la virole interne 151, ou par le rayonnement de
flamme passant par les orifices de la virole interne 151, et n'est pas non
plus perturbé par les instabilités de combustion issues de ces orifices. Le
flux d'air intérieur Fi peut donc aller refroidir plus efficacement la turbine
HP.
De plus, le bord d'attaque de l'extrémité amont 79 de la partie
tubulaire 76 du séparateur 70 peut être arrondi, ce qui permet un meilleur
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écoulement du flux d'air extérieur Fe destiné à longer la chambre 10 et du
flux d'air intérieur F; destiné à refroidir la roue de turbine HP.
Comme mentionné plus haut, la partie radiale 71 du séparateur
présente des trous principaux 72 destinés à laisser passer le flux d'air
intérieur F. Ces trous principaux 72 sont situés à proximité de la partie
tubulaire 76, entre cette partie tubulaire 76 et l'endroit où la partie
radiale
71 rejoint la bride interne 21.
Ces trous principaux 72 sont par exemple répartis sur toute la
circonférence de la partie radiale 71. Ils sont par exemple circulaires,
comme représenté sur la figure 4A, ou triangulaires disposés en quinconce
(c'est-à-dire que deux triangles adjacents quelconques forment un
losange), comme représenté sur la figure 4B.
Ces trous principaux 72 occupent la plus grande superficie possible
de la superficie de la section efficace de la partie radiale 71, afin de
diminuer la perte de charge lors du passage de l'air au travers de ces
trous principaux 72, tout en permettant au séparateur 70 de conserver
des propriétés de résistance mécanique suffisantes. La section efficace de
la partie radiale 71 est définie comme étant la région de cette partie
radiale qui est soumise au flux d'air intérieur F. Cette section efficace est
donc la région annulaire comprise entre l'endroit où la partie radiale 71 se
raccorde à la partie tubulaire 76 (cet endroit est sensiblement un cercle
dans l'exemple représenté sur les figures), et l'endroit où la partie radiale
71 entre en contact avec la bride interne 21 (cet endroit est sensiblement
un cercle dans l'exemple représenté sur les figures). Par exemple, la
superficie des trous principaux 72 occupe entre 60% et 80% de la section
efficace de la partie radiale 71.
Le matériau du séparateur est apte à tenir des températures allant
jusqu'à 550 C. Par exemple, ce matériau peut être un acier à base
nickel/chrome.
La chambre de combustion décrite ci-dessus est une chambre de
turbomachine. Cette chambre peut également constituer une chambre de
combustion quelconque.
