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CHAMBRE DE COMBUSTION DE TURBOMACHINE COMPRENANT DES
MOYENS AMELIORES D'ALIMENTATION EN AIR
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne une chambre
annulaire de combustion d'une turbomachine, telle par
exemple qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur
d' avion.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les turbomachines comprennent en général
une chambre annulaire de combustion montée en aval d'un
compresseur.
La chambre de combustion est délimitée en
amont par un fond annulaire équipé de systèmes
d'injection régulièrement répartis autour de l'axe de
la turbomachine et destinés à l'injection d'un mélange
d'air et de carburant dans la chambre de combustion.
La sortie du compresseur débouche dans une
enceinte dans laquelle est logée la chambre de
combustion. Le compresseur peut être du type axial et
comporter une sortie sensiblement alignée avec les
systèmes d'injection de la chambre de combustion, ou
être du type centrifuge, et comprendre en sortie un
redresseur annulaire débouchant dans une région
radialement externe de l'enceinte de la chambre de
combustion.
Les systèmes d'injection de la chambre de
combustion comportent des perçages périphériques par
lesquels de l'air provenant du compresseur peut entrer,
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et des moyens de centrage et de guidage de têtes
d'injecteurs de carburant.
Les systèmes d'injection sont conçus pour
optimiser les performances de la chambre de combustion
et réduire ainsi sa consommation de carburant et les
émissions de polluants en sortie de cette chambre de
combustion.
Les performances des systèmes d'injection
sont, d'une manière générale, d'autant plus élevées que
la perte de charge est importante à l'intérieur de ces
systèmes d'injection, et que l'alimentation en air de
ces systèmes est uniforme autour de leurs axes
respectifs. Pour limiter la perte de charge globale
subie par le flux d'air alimentant la chambre de
combustion tout en autorisant une perte de charge
élevée à l'intérieur des systèmes d'injection, il est
donc souhaitable de réduire au mieux la perte de charge
en amont de ces systèmes d'injection.
Or, la sortie du compresseur étant distante
axialement des systèmes d'injection, le flux d'air
provenant du compresseur arrive en général au niveau
des systèmes d'injection en ayant subi une perte de
charge considérable et en étant réparti d'une façon non
uniforme autour de chaque système d'injection.
Ces problèmes sont particulièrement
sensibles dans le cas des compresseurs centrifuges dont
la sortie n'est pas alignée avec les systèmes
d'injection des chambres de combustion mais est
disposée radialement vers l'extérieur par rapport à ces
systèmes d'injection.
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EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a notamment pour but d'apporter
une solution simple, économique et efficace à ces
problèmes, permettant d'éviter les inconvénients
précités.
Elle a en particulier pour but de réduire
les pertes de charge du flux d'air provenant d'un
compresseur dans une turbomachine, entre la sortie de
ce compresseur et l'entrée de systèmes d'injection
d'une chambre de combustion de la turbomachine, de
manière à permettre notamment une augmentation de la
perte de charge à l'intérieur de ces systèmes
d'injection sans augmenter considérablement la perte de
charge globale du flux d'air alimentant la chambre de
combustion.
L'invention a également pour but
d'améliorer l'uniformité de l'alimentation en air des
systèmes d'injection des chambres de combustion.
L'invention propose à cet effet une chambre
annulaire de combustion destinée à équiper une
turbomachine, comprenant un fond de chambre agencé à
l'extrémité amont de la chambre de combustion, ainsi
qu'une pluralité de systèmes d'injection d'air et de
carburant répartis circonférentiellement autour d'un
axe de la chambre de combustion et montés sur le fond
de chambre. La chambre annulaire de combustion comprend
en outre, associé à chaque système d'injection, un
collecteur d'air comprenant au moins une paroi montée
sur le fond de chambre et se projetant vers l'amont
pour former obstacle à un écoulement circonférentiel
d'air autour de l'axe de la chambre de combustion,
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ainsi qu'une ouverture d'admission d'air formée à
l'extrémité amont du collecteur d'air précité. Selon
l'invention, l'ouverture d'admission d'air de chaque
collecteur d'air est ouverte radialement vers
l'extérieur par rapport à un axe du système d'injection
correspondant.
Les collecteurs d'air selon l'invention
permettent de canaliser de manière optimale un flux
d'air provenant d'une région radialement externe par
rapport aux axes respectifs des systèmes d'injection et
alimentant ces systèmes d'injection, autour de chacun
de ces systèmes.
Les collecteurs d'air permettent ainsi de
réduire la perte de charge subie par ce flux d'air en
amont de ces systèmes d'injection, et de rendre
l'alimentation en air de ces systèmes plus uniforme.
Il en résulte une amélioration des
performances générales de la chambre de combustion, et
plus particulièrement une augmentation de son rendement
et une réduction des émissions de substances polluantes
par la chambre de combustion.
Un flux d'air provenant d'une région
radialement externe par rapport aux axes respectifs des
systèmes d'injection de la chambre de combustion se
rencontre en particulier dans les turbomachines
comprenant un compresseur centrifuge. L'invention est
donc particulièrement avantageuse lorsqu'elle est
appliquée à une turbomachine de ce type.
Préférentiellement, lorsque l'ouverture
d'admission d'air de chaque collecteur est vue en
projection dans un plan transversal perpendiculaire à
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un plan tangentiel passant par l'axe du système
d'injection correspondant, la partie de ladite
ouverture qui est située radialement a l'extérieur par
rapport au plan tangentiel précité présente une surface
5 d'ouverture plus grande que celle de la partie de
ladite ouverture qui est située radialement a
l'intérieur par rapport à ce plan tangentiel.
Cette configuration permet d'optimiser
davantage l'admission d'air provenant d'une région
radialement externe par rapport aux axes respectifs des
systèmes d'injection de la chambre de combustion.
Chaque collecteur d'air comprend de
préférence deux parois qui sont montées sur le fond de
chambre, se projettent vers l'amont, et sont agencées
de part et d'autre du système d'injection
correspondant, ces parois formant obstacle à un
écoulement circonférentiel d'air autour de l'axe de la
chambre de combustion.
Dans un premier mode de réalisation de
l'invention, les deux parois de chaque collecteur d'air
présentent une concavité tournée vers ledit collecteur
d'air et sont raccordées l'une à l'autre par deux
extrémités opposées de chacune de ces parois, de sorte
que chaque collecteur d'air a une forme globalement
tubulaire et comporte une extrémité amont formant
ladite ouverture d'admission d'air.
Cela permet de rendre plus uniforme la
répartition de l'air autour de chaque système
d'injection.
Avantageusement, l'extrémité amont de
chaque collecteur d'air est conformée de sorte qu'une
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partie radialement interne de cette extrémité amont
soit décalée vers l'amont par rapport à une partie
radialement externe de ladite extrémité amont du
collecteur d'air.
Cette partie radialement interne de
l'extrémité amont de chaque collecteur d'air peut ainsi
former une écope de guidage d'un flux d'air provenant
d'une région radialement externe par rapport aux
systèmes d'injection.
Dans un deuxième mode de réalisation de
l'invention, la chambre de combustion comporte un
carénage annulaire de fond de chambre agencé en amont
du fond de chambre et auquel les parois de chaque
collecteur d'air sont raccordées de manière
sensiblement étanche de part et d'autre d'un orifice
correspondant formé dans le carénage et formant ladite
ouverture d'admission d'air du collecteur d'air.
Les parois précitées permettent de
délimiter des compartiments formant collecteurs d'air
entre le fond de chambre et le carénage, autour de
chaque système d'injection.
Préférentiellement, lesdites parois de
chaque collecteur d'air s'étendent radialement et
chacune de ces parois fait partie de deux collecteurs
d'air consécutifs autour de l'axe de la chambre de
combustion.
Cette configuration présente notamment
l'avantage de minimiser le nombre total de parois de
collecteur d'air.
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L'ouverture d'admission d'air de chaque
collecteur d'air a de préférence une forme évasée
radialement vers l'extérieur.
En variante, ou de manière complémentaire,
le carénage annulaire peut comporter une partie
annulaire radialement interne et une partie annulaire
radialement externe entre lesquelles sont ménagées
lesdites ouvertures d'admission d'air, la partie
annulaire radialement interne étant décalée vers
l'amont par rapport à la partie annulaire radialement
externe.
Dans ce cas, la forme du carénage permet
d'orienter l'ouverture d'admission d'air radialement
vers l'extérieur.
D'une manière générale, chaque système
d'injection comprenant une douille de centrage et de
guidage de tête d'injecteur, chaque collecteur d'air
comprend de préférence au moins une partie qui s'étend
vers l'amont au-delà d'une extrémité amont de ladite
douille du système d'injection correspondant.
Les collecteurs d'air présentent ainsi des
aptitudes optimales pour canaliser l'air admis dans les
systèmes d'injection qui équipent la chambre de
combustion.
L'invention concerne également une
turbomachine comprenant une chambre de combustion du
type décrit ci-dessus.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise, et
d'autres détails, avantages et caractéristiques de
celle-ci apparaîtront à la lecture de la description
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suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en
référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique partielle en
perspective d'une turbomachine selon un premier mode de
réalisation de l'invention ;
- la figure la est une vue schématique partielle de
la turbomachine de la figure 1 en projection dans le
plan P1 de la figure 1 ;
- la figure 2 est une vue schématique partielle en
coupe axiale et à plus grande échelle de la
turbomachine de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue semblable à la figure 1,
d'une turbomachine selon un deuxième mode de
réalisation de l'invention ;
- la figure 3a est une vue schématique partielle de
la turbomachine de la figure 3 en projection dans le
plan P1 de la figure 3 ;
- la figure 4 est une vue semblable à la figure 3a,
illustrant une variante de réalisation de la
turbomachine de la figure 3.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PREFERES
Les figures 1 à 2 représentent une chambre
de combustion 10 d'une turbomachine selon un premier
mode de réalisation de l'invention, ainsi que
l'environnement immédiat de cette chambre de
combustion.
D'une manière connue, la chambre de
combustion 10 est logée dans une enceinte 12 qui est
agencée en aval d'un compresseur de la turbomachine, du
type centrifuge, dont la sortie est raccordée à un
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diffuseur radial 14, lui-même raccordé en sortie à un
redresseur de flux 16 qui débouche dans une région
radialement externe de l'enceinte 12.
La chambre de combustion 10 est délimitée
par deux parois coaxiales sensiblement cylindriques 18
et 20, respectivement interne et externe, et par un
fond de chambre annulaire 22 qui s'étend sensiblement
radialement à l'extrémité amont de la chambre 10 et qui
est raccordé par ses extrémités radiales aux deux
parois 18 et 20.
Les parois interne 18 et externe 20 de la
chambre de combustion 10 sont fixées en aval par deux
viroles interne 24 et externe 26 respectivement sur une
paroi interne 28 sensiblement cylindrique reliée au
diffuseur 14, et sur un carter externe 30, de manière à
délimiter l'enceinte 12.
Des systèmes d'injection 32, qui sont
régulièrement répartis autour de l'axe 34 de la chambre
de combustion, sont montés dans le fond de chambre 22.
Chaque système d'injection 32 comprend notamment une
douille 36 de centrage et de guidage d'une tête 38 d'un
injecteur de carburant 40, et des orifices d'entrée
d'air 42 agencés autour d'un axe 44 du système
d'injection.
La douille 36 de chaque système d'injection
32 permet d'aligner la tête d'injecteur 38
correspondante sur l'axe 44 du système d'injection. De
plus, les systèmes d'injection 32 sont configurés pour
permettre un certain débattement radial et axial des
têtes d'injecteur 38, pour tenir compte d'éventuelles
dilatations différentielles de nature à provoquer des
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déplacements relatifs entre les injecteurs 40 et la
chambre de combustion 10.
En fonctionnement, un flux d'air 46
provenant du compresseur centrifuge est injecté par le
5 redresseur 16 dans l'enceinte 12.
Le flux d'air 46, qui arrive dans une
région radialement externe de l'enceinte 12, se sépare
globalement en trois parties dans cette enceinte 12.
Une première partie 48 du flux d'air
10 s'écoule vers l'aval le long de la paroi externe 20 de
la chambre de combustion 10, et pénètre partiellement
dans la chambre de combustion 10 par des orifices 50
pratiqués dans sa paroi externe 20.
Une deuxième partie 52 du flux d'air
s'écoule vers l'aval le long de la paroi interne 18 de
la chambre de combustion 10, et pénètre partiellement
dans la chambre de combustion 10 par des orifices 54
pratiqués dans sa paroi interne 18.
Enfin, une troisième partie 56 du flux
d'air alimente les systèmes d'injection 32 de la
chambre de combustion 10.
Conformément au premier mode de réalisation
de l'invention, la chambre de combustion 10 est équipée
d'une pluralité de collecteurs d'air 58 (dont l'un est
visible sur les figures 1 à 2).
Chaque collecteur d'air 58 comprend deux
parois 60 et 62 semblables (figure 1) qui sont
incurvées autour du système d'injection 32
correspondant en présentant une concavité tournée vers
ce système d'injection 32, et qui sont montées sur le
fond de chambre 22 à leurs extrémités aval respectives.
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Dans le mode de réalisation représenté, les
deux parois 60 et 62 de chaque collecteur d'air 58
comportent chacune deux bords d'extrémité opposés,
respectivement 60a, 60b et 62a, 62b, par lesquels ces
deux parois 60 et 62 sont raccordées l'une à l'autre,
de sorte que chaque collecteur d'air 58 a une forme
globalement tubulaire.
Les collecteurs d'air 58 présentent chacun
un bord d'extrémité amont délimitant une ouverture
d'admission d'air 64, par laquelle de l'air 56
provenant du redresseur 16 peut pénétrer pour atteindre
les orifices d'entrée d'air 42 des systèmes
d'injection 32.
Les deux parois 60, 62 de chaque
collecteur d'air 58 sont tronquées en amont selon un
plan incliné par rapport à l'axe 44 du système
d'injection correspondant de sorte que l'ouverture
d'admission d'air 64 de chaque collecteur d'air 58 soit
ouverte vers la sortie du redresseur 16, c'est-à-dire
ouverte radialement vers l'extérieur par rapport à
l'axe 44 du système d'injection précité, pour faciliter
l'entrée d'air provenant de ce redresseur 16 dans les
collecteurs d'air 58.
Le bord d'extrémité amont de chaque
collecteur d'air 58 comporte ainsi une partie
radialement interne 66 qui est décalée vers l'amont par
rapport à une partie radialement externe 68 de ce bord
amont.
Comme le montre la figure la, lorsque
chaque ouverture d'admission d'air 64 est vue en
projection dans le plan transversal P1 de la figure 1,
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qui est perpendiculaire au plan tangentiel P2 passant
par l'axe 44 du système d'injection 32, la partie de
l'ouverture 64 qui est située radialement a l'extérieur
par rapport au plan tangentiel P2 précité présente une
surface d'ouverture Si plus grande que celle S2 de la
partie de ladite ouverture 64 qui est située
radialement a l'intérieur par rapport au plan
tangentiel P2.
Comme le montre la figure 2, la partie
radialement interne 66 du bord amont de chaque
collecteur d'air 58 s'étend vers l'amont au-delà de
l'extrémité amont de la douille 36 de centrage et de
guidage de la tête d'injecteur 38 correspondante. Cette
partie radialement interne 66 forme ainsi une écope
particulièrement efficace pour guider le flux d'air 56
provenant du redresseur 16.
L'inclinaison de l'ouverture d'admission
d'air 64 de chaque collecteur d'air 58 par rapport à
l'axe 44 du système d'injection correspondant est
notamment définie de manière à ne pas gêner des
déplacements axiaux et radiaux de la tête d'injecteur
38 correspondante en fonctionnement et aussi lors du
montage et du démontage de l'injecteur 40.
Ainsi, l'ouverture d'admission d'air 64
forme avec l'axe 44 un angle a (figure 2) qui est
typiquement compris entre 40 degrés et 80 degrés
environ.
Dans le mode de réalisation représenté sur
les figures 1 à 2, les deux parois 60 et 62 de chaque
collecteur d'air 58 sont fixées à leur extrémité aval
sur une pièce annulaire 70, parfois appelée coupelle
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d'arrêt, qui est solidaire du fond de chambre 22, et
qui comprend un flasque annulaire 72 s'étendant
radialement autour de l'axe 44 du système d'injection
32 correspondant, et un rebord annulaire 74 qui s'étend
parallèlement à l'axe 44 depuis la périphérie interne
du flasque annulaire 72 de la coupelle d'arrêt 70.
La fixation des parois 60 et 62 sur la
coupelle d'arrêt 70 est par exemple réalisée par
soudage et de telle sorte que les parois 60 et 62
s'étendent dans le prolongement du rebord annulaire 74
de la coupelle d'arrêt 70.
D'une manière connue en soi, la coupelle
d'arrêt 70 permet de bloquer axialement le système
d'injection 32 par coopération du flasque annulaire 72
de la coupelle d'arrêt avec un flasque annulaire 76
solidaire du système d'injection 32 et monté coulissant
radialement dans une gorge annulaire ménagée entre le
fond de chambre 22 et le flasque 72 de la coupelle
d'arrêt 70.
D'une manière générale, les collecteurs
d'air 58 permettent de canaliser l'air provenant du
redresseur 16 autour de chaque système d'injection 32,
ce qui permet de réduire les pertes de charge en amont
de ces systèmes d'injection et d'améliorer l'uniformité
de l'alimentation en air de ces systèmes d'injection. A
cet effet, les collecteurs d'air 58 présentent une
propriété remarquable en ce qu'ils forment chacun un
obstacle à l'écoulement de l'air circonférentiellement
entre deux systèmes d'injection voisins, le long du
fond de chambre 22.
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En variante, chaque collecteur peut être en
outre tronqué selon un plan tangentiel passant par la
tête d'injecteur 38 correspondante. Lorsque le niveau
de canalisation d'air procuré par un tel collecteur
d'air est suffisant, cette configuration peut permettre
un gain de masse avantageux.
Par ailleurs, chaque collecteur d'air 58
peut être réalisé d'un seul tenant, sans sortir du
cadre de l'invention.
La figure 3 représente un deuxième mode de
réalisation de l'invention dans lequel le fond 22 de la
chambre de combustion 10 est équipé d'un carénage
annulaire de protection 78 agencé en amont de ce fond
de chambre 22.
Le carénage 78 comporte une partie
annulaire continue radialement interne 80 qui présente
un bord 82 fixé conjointement sur un rebord interne 84
du fond de chambre 22 et sur un bord amont 86 de la
paroi interne 18 de la chambre de combustion 10.
Le carénage 78 comporte en outre des
ouvertures 88 d'admission d'air qui sont ménagées en
regard de chaque système d'injection 32 et qui
s'étendent vers l'extérieur jusqu'à l'extrémité
radialement externe du carénage 78 de sorte que ce
dernier présente un bord radialement externe 90 fendu
au niveau de chacune de ces ouvertures 88. Ce bord
externe 90 du carénage est fixé conjointement sur un
rebord externe 92 du fond de chambre 22 et sur un bord
amont 94 de la paroi externe 20 de la chambre de
combustion 10.
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Comme le montre la figure 3a, lorsque
chaque ouverture d'admission d'air 88 est vue en
projection dans le plan transversal P1 perpendiculaire
au plan tangentiel P2 passant par l'axe 44 du système
5 d'injection 32, la partie de l'ouverture 88 qui est
située radialement a l'extérieur par rapport au plan
tangentiel P2 précité présente une surface d'ouverture
Si plus grande que celle S2 de la partie de l'ouverture
88 qui est située radialement a l'intérieur par rapport
10 au plan tangentiel P2.
Les ouvertures d'admission d'air 88 sont
ainsi ouvertes radialement vers l'extérieur par rapport
à l'axe 44 de chaque système d'injection 32, ce qui
permet de faciliter l'écoulement du flux d'air 56
15 provenant du redresseur 16 et alimentant les systèmes
d'injection 32.
Dans l'exemple représenté sur la figure 3,
les ouvertures d'admission d'air 88 du carénage 78 ont
une forme évasée radialement vers l'extérieur.
En variante, chaque ouverture d'admission
d'air 88 peut avoir une forme centrée sur un axe 95
contenu dans un plan passant par l'axe 44 du système
d'injection correspondant et par l'axe 34 de la chambre
de combustion, et qui est décalé radialement vers
l'extérieur par rapport audit axe 44 du système
d'injection ou incliné par rapport à cet axe 44. La
figure 4 illustre une ouverture 88 de ce type vue en
projection dans le plan transversal P1 précité.
Dans tous les cas, les ouvertures
d'admission d'air 88 vérifient la propriété ci-dessus
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relative aux surfaces d'ouverture S1 et S2 définies de
part et d'autre du plan tangentiel P2.
De plus, il est à noter que chaque
ouverture d'admission d'air 88 s'étend entre une partie
radialement externe 102 du carénage et la partie
annulaire radialement interne 80 précitée de ce
carénage 78, laquelle partie radialement interne 80 est
décalée vers l'amont par rapport à la partie
radialement externe 102 précitée.
Par ailleurs, dans le deuxième mode de
réalisation de l'invention, le fond 22 de la chambre de
combustion 10 est équipé de paires de parois de
collecteur 96 et 98 agencées de part et d'autre de
chaque système d'injection 32 et de l'ouverture 88
correspondante, comme le montre la figure 3. Ces parois
de collecteur 96, 98 sont planes et se projettent vers
l'amont depuis le fond de chambre 22 en s'étendant dans
des plans respectifs sensiblement radiaux par rapport à
l'axe 34 de la chambre de combustion.
Chaque paroi de collecteur 96, 98 est
raccordée d'une manière sensiblement étanche au fond de
chambre 22 ainsi qu'au carénage 78, par exemple par
soudage ou par boulonnage.
De cette manière, chaque paire de parois 96
et 98 délimite un compartiment entre le fond de chambre
22 et le carénage 78. Ce compartiment forme un
collecteur d'air 100 qui est fonctionnellement analogue
au collecteur d'air 58 du premier mode de réalisation
de l'invention. Ce collecteur d'air 100 permet en
particulier de canaliser l'air autour de chaque système
d'injection 32 en interdisant tout écoulement
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circonférentiel de l'air entre deux systèmes
d'injection voisins le long du fond de chambre 22.
En variante, chacune des parois 96 et 98
peut être incurvée autour du système d'injection 32
correspondant, c'est-à-dire avec une concavité tournée
vers le système d'injection 32.
En variante encore, il est possible de ne
prévoir qu'une seule paroi de collecteur d'air entre
deux systèmes d'injection 32 voisins, de sorte que
chaque paroi de collecteur participe à la formation de
deux collecteurs d'air voisins.
