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Chambre de combustion de turbomachine
La présente invention concerne le domaine des chambres de combustion des
turbomachines aéronautiques.
Elle concerne plus précisément une chambre de combustion de turbomachine
comportant un fond de chambre qui présente au moins une ouverture destinée à
recevoir un bol dans l'axe duquel est monté un dispositif d'injection d'air et
de
carburant, ledit bol étant évasé dans le sens de l'écoulement des gaz et
comportant des moyens de refroidissement. Le bol 30 comporte une partie
cylindrique concentrique et une partie tronconique, désignée divergent. Une
telle
chambre de combustion est représentée sur la figure 1.
Dans les chambres de combustion de ce type, notamment les chambres des
turboréacteurs à usage militaire, les bols et les déflecteurs ou coupelles
équipant
les fonds de chambre sont particulièrement sollicités.
Compte tenu de l'évolution des turboréacteurs, la chambre est soumise à des
sollicitations thermiques et mécaniques très importantes des éléments du fond
de
chambre, plus particulièrement, le bol de combustion et la cloison de la
collerette
en aval du bol sont soumises à des températures élevées.
Il est connu par le brevet EP0821201 B 1 de refroidir le divergent du bol de
combustion par convection en faisant circuler de l'air dans une cavité formée
dans le divergent. Des perturbateurs d'écoulement sont placés dans la cavité
afin
de ralentir le flux d'air qui est ensuite expulsé dans la chambre de
combustion
pour participer à la pulvérisation du carburant. Toutefois en raison du
ralentissement de l'air dans la cavité, le flux d'air a tendance à s'échauffer
et ne
permet pas de refroidir le divergent de manière efficace.
Il est également connu par le brevet EP0182687B 1 de refroidir un bol de
combustion ayant un divergent en double cloison. La cloison extérieure du
divergent comprenant des orifices d'entrée pour refroidir par impact la
cloison
aval, l'air s'échappant ensuite par un canal de sortie ménagé en aval du
divergent
et agencé pour refroidir cette dernière par "soufflage". Le refroidissement
par
impact, tel qu'il est réalisé ici, ne permet pas de refroidir le divergent de
manière
efficace. Comme le canal de sortie est ménagé à distance des orifices
d'entrée, le
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flux d'air a tendance à s'échauffer lors de son passage entre les cloisons, ce
qui
pénalise le refroidissement du divergent.
Afin de résoudre au moins certains de ces inconvénients, la demanderesse
propose une chambre de combustion permettant un refroidissement efficace du
divergent du bol de combustion tout en favorisant la pulvérisation du mélange
carburé issu de l'injecteur.
A cet effet, l'invention concerne une chambre de combustion de turbomachine
comportant un fond de chambre qui présente au moins une ouverture destinée à
recevoir un bol de combustion dans l'axe duquel est monté un dispositif
d'injection d'air et de carburant, ledit bol évasé comportant en aval un
divergent
constitué d'une double cloison délimitant une cavité annulaire,
- la première cloison extérieure comportant des orifices d'entrée agencés
pour refroidir par impact la seconde cloison intérieure;
- la seconde cloison intérieure comportant des orifices de sortie;
chambre caractérisée par le fait que les orifices d'entrée, répartis en au
moins
deux rangées circulaires sur le pourtour du divergent, sont en quinconce avec
les
orifices de sortie.
La cloison intérieure du divergent est avantageusement refroidie par impact
par
les deux rangées circulaires d'orifices d'entrée, ce qui permet de guider un
flux
d'air sur la surface entière du divergent tout en permettant une circulation
du flux
efficace due à la configuration des orifices en quinconce.
De préférence, l'incidence tangentielle des orifices de sortie est comprise
entre
20 et 45 .
De préférence encore, l'incidence tangentielle des orifices d'entrée est
égale, et,
dans le même sens, que celle des orifices de sortie.
L'air de refroidissement, entrant par les orifices d'entrée dans la cavité
annulaire
et ressortant par les orifices de sortie, est avantageusement mis en
tourbillonnement ce qui crée des turbulences favorisant la pulvérisation et le
cisaillement du mélange carburé.
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De préférence toujours, la chambre de combustion comprend au moins une vrille
agencée pour mettre en tourbillonnement l'air et le carburant injecté dans la
chambre.
De préférence toujours, l'incidence tangentielle de la pluralité d'orifices de
sortie
est dans le sens contraire au sens de tourbillonnement de la vrille.
De manière avantageuse, le tourbillon généré par la vrille est perturbé par le
tourbillon, entraîné en rotation dans le sens inverse, généré par les orifices
de
sortie ce qui améliore la pulvérisation et le cisaillement du mélange carburé.
De préférence, les orifices de sortie et les orifices d'entrée sont répartis
en
rangées circulaires, les orifices de chaque rangée étant régulièrement
répartis sur
le pourtour du bol.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des dessins annexés sur lesquels:
- la figure 1 représente une vue en coupe radiale d'un fond chambre de
combustion selon l'art antérieur;
- la figure 2 représente une vue en coupe radiale d'un fond chambre de
combustion avec un bol de combustion selon une première forme de
réalisation de l'invention;
- la figure 3 représente une disposition schématique des orifices d'entrée et
de
sortie ménagés en quinconce dans les cloisons du divergent du bol de
combustion;
- la figure 4 représente une vue en coupe radiale d'un fond chambre de
combustion avec un bol de combustion selon une deuxième forme de
réalisation de l'invention; et
- la figure 5 représente une vue en coupe radiale d'un fond chambre de
combustion avec un bol de combustion selon une troisième forme de
réalisation de l'invention.
Sur la figure 2 est représentée l'extrémité amont d'une chambre de combustion
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pour turboréacteur comportant un système d'injection d'air et de carburant 22.
Une fraction de l'air amont provenant du compresseur est guidée à travers le
système d'injection 22 pour la formation d'un mélange carburé injecté selon un
axe X; celui-ci passe dans la zone primaire où ont lieu les réactions de
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combustion, puis les gaz produits sont dilués et refroidis dans la zone
secondaire
aval, non représentée, et sont distribués vers la turbine qu'ils entraînent.
Le système d'injection 22 comprend un injecteur de carburant 2 à pulvérisation
aérodynamique par exemple tel que décrit dans le brevet FR-A-2 206 796.
Cet injecteur 2 comprend un corps central profilé d'amenée du carburant
prolongé vers l'aval par des ailettes de tourbillonnement 23 à écoulement
radial
constituant une vrille centripète interne; un chapeau annulaire 25 est pourvu
d'un
canal interne se raccordant à la vrille interne 23. Sur ce chapeau 25 est
monté une
rangée d'ailettes externes 24 constituant une vrille externe à écoulement
sensiblement radial.
La nappe de carburant est ainsi pulvérisée par effet de cisaillement entre le
flux
d'air mis en tourbillonnement par la vrille interne et le flux d'air mis en
tourbillonnement par la vrille externe.
L'injecteur 2 vient se raccorder à la chambre de combustion 1 par
l'intermédiaire
d'une pièce de section circulaire, nommée bol de combustion 30, pour sa partie
tronconique évasée vers l'aval. Le bol 30 comporte une partie cylindrique
concentrique à la vrille interne et une partie tronconique, désignée divergent
31,
constituant avec le chapeau 25 un canal annulaire pour le flux d'air
tourbillonnant
provenant de la vrille externe.
Le bol 30 est relié à la paroi 12 du fond de chambre à son bord aval, la
chambre
étant délimitée par une paroi externe 13.
Le divergent 31 du bol de combustion est constitué d'une double cloison
délimitant une cavité annulaire 35 d'épaisseur comprise entre 0,5 et 0,8 mm.
Cette double cloison comporte une première cloison extérieure 33 et une
deuxième cloison intérieure 34 comprenant respectivement des orifices d'entrée
331 et de sortie 332 du flux d'air de refroidissement provenant du
compresseur.
En référence à la figure 2 représentant une première forme de réalisation de
l'invention, les orifices d'entrée 331 forment trois rangées circulaires
périphériques 331A, 331B, 331C dans la cloison extérieure 33. Les orifices
d'entrée 331 sont, pour chaque rangée, régulièrement répartis sur le pourtour
du
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bol 30. Ces orifices d'entrée 331 sont agencés pour guider le flux d'air
provenant
du compresseur et refroidir par impact la cloison intérieure 34 du divergent
31.
Les jets d'air refroidis impactent à haute vitesse la cloison intérieure 34 du
divergent 31 ce qui permet d'abaisser sa température et de limiter la
formation de
5 points chauds dans le bol 30.
Les orifices de sortie 332, de manière analogue aux orifices d'entrée 331,
forment
trois rangées circulaires périphériques 332A, 332B, 332C dans la cloison
intérieure 34. Les orifices de sortie 332 sont, pour chaque rangée,
régulièrement
répartis sur le pourtour du bol 30. Les orifices d'entrée 331 sont ici
disposés en
quinconce avec les orifices de sortie 332 comme représenté sur la figure 3
afin
d'homogénéiser le refroidissement de la cloison intérieure 34 du bol 30.
En référence plus particulièrement à la figure 3, les orifices d'entrée 331
possèdent un faible diamètre, compris entre 0,8 mm et 1 mm, de manière à
augmenter la vitesse du flux d'air dans la cavité annulaire 35. A titre
d'exemple,
l'orifice d'entrée 331 de la rangée 331C débouche sur quatre orifices de
sortie 332
dont le diamètre, supérieur à celui des orifices d'entrée 331, est compris
entre 1,5
mm et 2,5 mm.
Lors de la circulation de l'air dans la cavité annulaire 35, le flux d'air
pénètre par
cet orifice d'entrée 331 de faible diamètre et s'échappe rapidement par les
quatre
orifices de sortie 332, disposés en quinconce à son voisinage, pour participer
à la
pulvérisation du mélange carburé et au refroidissement des parois de la
chambre
de combustion. Ainsi, grâce à cette disposition en quinconce, le flux d'air
circule
avec une vitesse importante dans la cavité 35. Le flux d'air n'a pas le temps
de
s'échauffer ce qui permet un refroidissement efficace du divergent 31.
En référence à la figure 2, la rangée 332C d'orifices de sortie, disposée le
plus en
aval du divergent 31, participe activement au refroidissement des parois de la
chambre de combustion 1, la rangée intermédiaire 332B participant à la
pulvérisation du mélange carburé et la rangée 332A d'orifices de sortie,
disposée
le plus en amont, participant au cisaillement du mélange carburé en
coopération
avec la vrille externe 24 disposée à son voisinage.
Les orifices d'entrée 331 ont une incidence tangentielle comprise entre 20 et
45 ,
ce qui permet d'augmenter le temps de séjour de l'air de refroidissement dans
la
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cavité annulaire 35 et d'éviter que celui-ci ne circule entre les cloisons 33,
34 à
une vitesse trop élevée sans prélever de chaleur sur le divergent 31.
De manière analogue, les orifices de sortie 332 ont une incidence tangentielle
dans le même sens et de la même valeur que l'incidence tangentielle des
orifices
d'entrée 331. Ainsi, l'air de refroidissement est mis en tourbillonnement dans
la
chambre de combustion 1 pour former un flux d'air vrillé permettant de
pulvériser de manière rapide et efficace le mélange carburé et de refroidir
les
parois de la chambre de combustion 1.
L'incidence tangentielle des orifices de sortie 332 est adaptée de manière à
être
dans le sens inverse de l'orientation de la seconde vrille radiale extérieure
24.
Ainsi, en fonctionnement, le flux d'air de refroidissement débouchant des
orifices
de sortie 332 est mis en tourbillonnement dans le sens de rotation contraire à
celui de la vrille radiale extérieure 24. Ce tourbillonnement contre rotatif
favorise
le cisaillement et la pulvérisation du mélange carburé.
Chaque rangée d'orifices d'entrée 331 et de sortie 332 comporte le même nombre
d'orifices qui sont disposés en quinconce les uns avec les autres. On peut
modifier le nombre de rangées d'orifices ainsi que leur positionnement sur le
divergent 31 en fonction de l'effet que l'on souhaite favoriser (cisaillement
de la
nappe de carburant, pulvérisation du mélange carburé ou refroidissement des
parois de la chambre de combustion).
A titre d'exemple, en référence à une deuxième forme de réalisation, la
cloison
aval 34, représentée sur la figure 4, comporte une unique rangée d'orifices de
sortie 332C dont les orifices 332 sont disposés en quinconce avec les orifices
d'entrée 331 ménagés dans la cloison extérieure 33, les orifices d'entrée 331
étant
divisés en cinq rangées. Dans cet exemple, les orifices d'entrée 331 possèdent
un
diamètre plus faible et sont plus nombreux en comparaison à la première forme
de réalisation de la figure 2, le débit d'air refroidi demeurant, cependant,
sensiblement égal.
Toujours en référence à la figure 4, la rangée d'orifices de sortie 332C est
ménagée en aval de la cloison intérieure 34 du divergent 31. Après que le flux
d'air a refroidi par impact la cloison intérieure 34, celui-ci est guidé dans
la cavité
annulaire 35 avant d'être expulsé axialement en aval du divergent 31 pour
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participer au refroidissement des parois de la chambre de combustion 1,
évitant
ainsi que la chaleur générée par la combustion n'entraîne la création de
points
chauds sur les parois de la chambre de combustion 1.
En référence à une troisième forme de réalisation représentée sur la figure 5,
la
cloison intérieure 34 comporte une unique rangée d'orifices de sortie 332A
dont
les orifices 332 sont disposés en quinconce avec les orifices d'entrée 331
ménagés dans la cloison extérieure 33, les orifices d'entrée 331 étant divisés
en
cinq rangées de manière similaire à la deuxième forme de réalisation de
l'invention.
Toujours en référence à la figure 5, la rangée d'orifices de sortie 332A est
ménagée en amont de la cloison intérieure 34 du divergent 31. Après que le
flux
d'air a refroidi par impact la cloison intérieure 34, la rangée 332A
d'orifices de
sortie vient cisailler radialement la nappe de mélange carburé au voisinage
immédiat de l'injecteur 2. L'incidence tangentielle des orifices de sortie 332
opposée à celle de la seconde vrille extérieure 24 améliore encore plus le
cisaillement de la nappe de mélange carburé et permet une pulvérisation
homogène sans création de points chauds sur le divergent 31 du bol de
combustion 30.
