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WO 2011/117543 PCT/FR2011/050622
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CHAMBRE DE COMBUSTION DE TURBOMACHINE A
COMPRESSEUR CENTRIFUGE SANS DÉFLECTEUR
Le domaine de la présente invention est celui des
turbomachines et plus particulièrement celui des chambres de
combustion pour ces turbomachines.
La chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz reçoit
de l'air comprimé qui est issu d'un compresseur à haute pression disposé
en amont, et fournit, en aval, un gaz réchauffé par la combustion d'un
carburant mélangé à cet air comprimé. La chambre est généralement de
type annulaire et est logée à l'intérieur d'un carter du moteur, en aval
d'un diffuseur qui a pour fonction, en ralentissant le flux d'air, de
transformer l'énergie de la compression en une forme compatible pour le
fonctionnement de la chambre de combustion ainsi que d'orienter le flux
d'air comprimé en sortie du compresseur. Elle comprend également une
paroi interne et une paroi externe délimitant entre elles une zone de
combustion. Dans sa partie amont la chambre comprend une paroi
transversale de fond de chambre sur laquelle sont ménagées des
ouvertures équipées chacune d'un système d'alimentation en air carburé.
Un tel système est alimenté en carburant depuis un injecteur de carburant
liquide et comprend en général des grilles annulaires concentriques qui
créent des flux d'air tourbillonnant, favorisant le mélange de l'air avec la
nappe de carburant pulvérisé. La chambre de combustion se termine en
aval par une ouverture qui débouche sur un distributeur de turbine et,
plus généralement sur le module de turbine de la turbomachine.
L'air issu du diffuseur entre dans une zone entourant la
chambre de combustion et s'écoule, pour une partie, le long des parois
externe et interne de celle-ci tandis que l'autre partie pénètre à l'intérieur
de la chambre de combustion et participe à la combustion du mélange
air-carburant dans une zone de combustion. La zone de combustion est
schématiquement découpée en deux : une zone primaire qui se situe
immédiatement en aval de la paroi du fond de chambre et dans laquelle
s'effectue la combustion du mélange, dans des proportions quasi
stoechiométriques grâce à un entrée d'air dite primaire, et une partie
secondaire ou zone de dilution, située plus en aval, dans laquelle les gaz
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sont mélangés à de l'air de refroidissement complémentaire qui pénètre
par des trous dit de dilution.
Dans l'art antérieur, une protection, sous la forme de
déflecteurs sectorisés, tapisse l'intérieur de la paroi du fond de chambre
et a pour fonction de la protéger du rayonnement intense produit dans la
zone de combustion primaire. De l'air est alors introduit par des orifices
pratiqués dans la paroi du fond de chambre en arrière des déflecteurs
pour assurer leur refroidissement. Cet air s'écoule le long de la face
arrière des déflecteurs et est ensuite guidé pour former un film le long de
la face intérieure des parois externe et interne de la chambre.
Ces déflecteurs sont soumis à des températures très importantes
et ils nécessitent, pour ne pas présenter de brûlures en utilisation, une
quantité importante d'air de refroidissement, ce qui nuit au rendement de
la chambre. Il serait ainsi souhaitable de supprimer le déflecteur, ce qui
présenterait en outre des avantages induits importants ; du fait de la
masse de métal qu'il représente, la consommation d'air de
refroidissement est supérieure à celle qui serait nécessaire au
refroidissement du seul fond de chambre. Il y aurait donc à la clé un gain
de débit économisé.
Dans ce but des solutions ont été imaginées pour assurer le
refroidissement du fond de chambre sans mettre en place de déflecteur.
Une solution envisagée consiste à refroidir le fond de chambre par des
multiperforations et à orienter le flux d'air passant par ces perforations
pour qu'il vienne lécher la paroi interne du fond de chambre. Cette
solution est notamment décrite dans la demande de brevet FR2856467
déposée au nom de la demanderesse. Elle propose de pratiquer des
perforations cylindriques dans le fond de chambre et d'incliner ceux-ci
en les orientant de façon que les flux d'air soient de plus en plus inclinés
en se rapprochant de l'axe de la chambre. Les inclinaisons décrites sont
comprises entre 5 et 600.
Si cette solution est bien adaptée à un moteur dont le
compresseur est du type axial, c'est-à-dire dont le diffuseur est placé
dans l'axe des injecteurs de la chambre de combustion, elle n'est pas
optimale pour une turbomachine à compresseur centrifuge. En effet, dans
ces moteurs, habituellement de petite taille, le diffuseur est situé en
périphérie de la zone entourant la chambre de combustion et l'air en
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sortie est orienté axialement, du côté externe de la chambre de
combustion. Il y a un risque que la paroi externe soit alors bien refroidie,
avec à l'inverse une paroi interne insuffisamment refroidie qui pourrait
présenter des brûlures. Une augmentation du débit de refroidissement
pour contrer ce phénomène, aurait pour conséquence une dégradation du
rendement de la chambre, associée à la production d'imbrûlés du type
monoxyde de carbone CO.
Par ailleurs cette solution présente l'inconvénient d'une plus
grande difficulté à définir le circuit de refroidissement lors de la phase
de définition du moteur. Il faut en effet attendre la phase de conception
détaillée du moteur, avec un cycle moteur déjà stabilisé, pour obtenir une
caractérisation robuste de l'aérodynamique du flux d'air sortant du
diffuseur et pouvoir mettre au point le schéma de perçage définitif Des
méthodes de calculs exigeantes doivent alors être mises en oeuvre pour
obtenir la solution définitive.
La présente invention a pour but de remédier à ces
inconvénients en proposant un dispositif de refroidissement du fond de
chambre d'une chambre de combustion d'une turbomachine à
compresseur centrifuge, qui ne présente pas au moins certains des
inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, qui ne nécessite pas de
déflecteur et qui assure une température relativement homogène pour les
parois tant interne qu'externe de cette chambre, sans accroître le besoin
en air de refroidissement.
A cet effet, l'invention a pour objet une chambre de
combustion annulaire pour une turbomachine, comprenant une paroi
externe et une paroi interne orientées sensiblement axialement par
rapport à l'axe de rotation de la turbomachine et fermée en amont par une
paroi de fond de chambre orientée sensiblement radialement, ladite
chambre étant alimentée par de l'air comprimé en provenance d'un
compresseur par un diffuseur dont la direction de sortie est décalée
radialement par rapport à l'axe médian de la chambre de combustion,
ladite paroi de fond de chambre comportant des perforations
d'alimentation en air de refroidissement inclinées par rapport à la
direction normale audit fond de chambre. Elle est caractérisée en ce que
le nombre de perforations dont l'orientation radiale est dirigée dans la
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direction opposée à celle où se trouve la sortie dudit diffuseur est
supérieur au nombre de perforations dont l'orientation radiale est dirigée
en direction de la sortie dudit diffuseur.
La meilleure alimentation en air de la partie opposée à celle de
la sortie du diffuseur, du fait d'un plus grand nombre de trous orientés
dans sa direction, permet de compenser le moindre débit d'air qu'elle
reçoit du fait du positionnement du diffuseur. Il est ainsi possible de
refroidir suffisamment le fond de chambre pour se dispenser de mettre
un déflecteur pour le protéger du rayonnement thermique.
De façon préférentielle toutes les perforations sont orientées
radialement dans la direction opposée à celle où se trouve la sortie dudit
diffuseur. Cette configuration correspond au refroidissement optimal de
la partie du fond de chambre située du côté opposée à la sortie du
diffuseur.
Avantageusement les perforations sont inclinées d'un angle
supérieur à 60 par rapport à la direction normale au fond de chambre
dans au moins une partie dudit fond de chambre. La très grande
inclinaison donnée aux perforations permet d'éviter que cet air n'aille
interférer avec l'air destiné à la combustion en zone primaire et ne
perturbe le réglage de la richesse au niveau de la combustion du
carburant.
Dans un mode de réalisation ladite partie du fond de chambre
est radialement située du côté où se trouve la sortie du diffuseur. L'air de
refroidissement qui est issu du côté où se situe le diffuseur doit parcourir
un chemin plus grand que l'air issu des autres perforations et il est
souhaitable qu'il colle, à sa sortie, le plus possible à la paroi du fond de
chambre.
Dans un mode particulier de réalisation les perforations ont la
même section et la densité desdites perforations décroit radialement
depuis le côté où se trouve la sortie du diffuseur jusqu'à leur rangée
médiane.
Dans un autre mode de réalisation les perforations ont la même
section et la densité desdites perforations croit radialement depuis leur
rangée médiane jusqu'au côté opposé à celui où se trouve la sortie du
diffuseur.
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Ces modes de réalisation permettent de prendre en compte le
fait que l'air qui sort des systèmes d'injection participe au refroidissement
de la zone médiane du fond de chambre et qu'il est possible de diminuer
en conséquence le débit de refroidissement issu des perforations.
5 Avantageusement le fond de chambre est exposé directement
au rayonnement thermique de la zone primaire de combustion. Il n'y a
donc plus besoin d'un déflecteur, du fait du refroidissement efficace
apporté par l'orientation adaptée des perforations.
Dans un mode particulier de réalisation les perforations sont
majoritairement situées sur la partie interne de son fond de chambre.
Cette configuration correspond à la mise en oeuvre de l'invention dans le
cas des turbomachines à compresseur centrifuge et à diffuseur situé du
côté externe de ladite chambre de combustion.
L'invention revendique également une turbomachine équipée
d'une chambre de combustion telle que décrite ci-dessus.
L' invention sera mieux comprise, et d' autres buts, détails,
caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au
cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de
réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et
non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés.
Sur ces dessins :
- la figure 1 est une vue en coupe de la chambre de
combustion d'une turbomachine, située en aval d'un compresseur
centrifuge ,
- la figure 2 est une vue d'un déflecteur représentatif d'un
secteur de fond de chambre perforé selon un mode de réalisation de
l'invention ,
- la figure 3 est un schéma donnant la densité des perforations
d'un fond de chambre selon l'invention, en fonction du rayon sur lequel
on se situe.
En se référant à la figure 1, on voit la partie centrale d'une
turbomachine, comprise entre le dernier compresseur et le module de
turbine. Elle comporte principalement une chambre de combustion 1 qui
est contenue dans un carter externe 2 du moteur et qui est alimentée, en
air par un diffuseur 3 positionné en sortie du compresseur, et en
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carburant par des injecteurs 4 répartis régulièrement sur la circonférence
du moteur. Elle comporte aussi, classiquement, des dispositifs
d'allumage 5 du mélange air-carburant, en un ou plusieurs exemplaires,
répartis eux aussi sur la circonférence de la chambre de combustion 1.
Le diffuseur 3 représenté a une forme en L, généralement
adoptée dans le cas des compresseurs centrifuges, qui reçoit l'air orienté
radialement en sortie de la dernière roue du compresseur et qui le
redresse pour l'éjecter dans la zone entourant la chambre 1, dans une
direction sensiblement axiale. La sortie du diffuseur 3 s'effectue au
niveau de la paroi du carter externe 2, tangentiellement à ce carter. L'air
issu du compresseur se répartit ensuite dans la zone entourant la chambre
de combustion 1 puis pénètre dans celle-ci pour se mélanger au carburant
apporté par les injecteurs 4. Du fait de la configuration en L décrite, l'air
en sortie du diffuseur 3 est injecté selon une direction excentrée par
rapport à l'axe 10 de la chambre de combustion 1. L'alimentation de
celle-ci n'est donc pas homogène sur son pourtour et des différences de
débit d'air existent entre la paroi externe et la paroi interne de la
chambre. L'invention est ici décrite avec un compresseur centrifuge et un
redresseur en L, mais elle peut, tout aussi bien, être mise en oeuvre sur
toute turbomachine pour laquelle la direction de sortie du diffuseur 3
n'est pas dans l'axe 10 de la chambre de combustion.
La chambre de combustion 1 a une forme annulaire qui
présente en coupe une paroi externe 11 et une paroi interne 12, ces deux
parois étant disposées coaxialement selon l'axe longitudinal 10 de la
chambre. Elles sont reliées en amont par une paroi transversale à cet axe
longitudinal 10, appelée communément fond de chambre 13. Le fond de
chambre 13 est percé, au niveau de l'axe longitudinal 10, d'un orifice sur
lequel est installé un système d'alimentation en air carburé. Un tel
système, qui est alimenté en carburant liquide par l'injecteur 4, comprend
des grilles annulaires concentriques pour créer des flux d'air
tourbillonnant favorisant leur mélange avec la nappe de carburant
pulvérisé.
Enfin, en sortie de la chambre de combustion 1 les gaz passent
classiquement dans un distributeur de turbine 6 avant de traverser les
aubes de la turbine où ils restituent une partie de l'énergie qu'ils ont
acquise.
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Sur la figure 1 apparaît également un déflecteur 14, la chambre
1 étant, sur ce point, représentée selon une configuration de l'art
antérieur.
L'air issu du compresseur centrifuge passe dans le déflecteur 3
où il est redirigé vers la direction axiale 10 du moteur, puis se divise en
plusieurs flux qui servent soit à alimenter la combustion du carburant
dans la zone primaire de la chambre 1, par l'intermédiaire des systèmes
d'injection et de trous primaires 15, soit à refroidir les parois 11 et 12 de
celle-ci et à se retrouver dans la zone de dilution, par l'intermédiaire de
trous de dilution 16 et des perforations de paroi 17, soit enfin à refroidir
d'autres parties du moteur qui sont situées en aval de la chambre de
combustion.
En se référant maintenant à la figure 2 on voit un mode de
refroidissement pour un fond de chambre 13 selon l'invention. La paroi
du fond de chambre 13 est ainsi perforée d'une multitude de trous de
faible diamètre 18 qui sont disposés le long de rangées 19 disposées
circulairement et de façon concentrique avec l'axe 10 de la chambre de
combustion 1. Ces trous sont typiquement des trous cylindriques dont le
diamètre est de l'ordre de 0.5 ou 0.6 mm et ils sont orientés de façon que
le flux de refroidissement qui sort de ces perforations 18 reste le plus
longtemps possible au contact de la paroi de fond de chambre 13 et,
ainsi, ne vienne pas modifier la richesse du mélange entre le carburant et
l'air qui arrive dans la zone primaire de combustion. Pour cela les
perforations 18 du fond chambre sont orientées avec un axe faisant, au
point considéré, 60 par rapport à la normale au fond de chambre. A la
différence de l'art antérieur décrit dans la demande précédente de la
demanderesse, l'orientation de ces perforations n'évolue pas
nécessairement entre les rangées 19 qui sont situées au niveau du
système d'injection et celles qui sont situées sur les rayons extrêmes,
externe et interne, du fond de chambre 13.
En revanche l'invention revendique une variabilité de la densité
des perforations 18 (calculée comme étant le nombre de trous sur une
superficie donnée) entre les rayons situés du côté externe et ceux situés
du côté interne de ce fond de chambre 13. Les parties les plus chaudes,
c'est-à-dire celles qui sont le moins bien exposées à l'air issu du diffuseur
3, sont pourvues de trous avec une plus grande densité que celles qui
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sont relativement bien placées dans ce flux d'air. Dans le cas représenté
où le diffuseur 3 est situé sur la périphérie externe de la zone entourant la
chambre, les parties externes du fond de chambre ont une densité de
perforations plus faible que celle de ses parties internes.
Sur la figure 3 on voit l'évolution de la densité des perforations
18 sur le fond de chambre en fonction de la distance radiale du point
considéré. On constate que la densité en partie externe est plus faible que
celle en partie interne, ce qui correspond au fait que l'air issu du
diffuseur 3 se répartit de façon inéquitable entre la partie haute et la
partie basse et qu'il convient de compenser cette différence de débit par
une densité des perforations 18 plus importante en partie basse. On
constate en revanche, au niveau de la rangée médiane 20, une densité
plus faible que sur les parties externe et interne, ce qui s'explique par la
meilleure efficacité de refroidissement des rangées centrales, lesquelles
ne sont pas perturbées par l'effet de fauchage que produit le film en
cours de constitution sur les jets impactant la paroi du fond de chambre.
Il n'est donc pas nécessaire d'injecter le même débit sur cette rangée 20
que sur les rangées extrêmes qui, elles, ne profitent pas de cet effet
bénéfique particulier. Une bonne gestion de l'air issu du diffuseur, et
donc du rendement de la chambre de combustion, impose de n'injecter à
travers les perforations 18 que le débit qui est strictement nécessaire pour
obtenir une température homogène avec les autres points du fond 13 de
la chambre 1.
L'invention revendique également une direction homogène
pour les inclinaisons des perforations 18, l'air sortant de celles-ci se
dirigeant pour toutes, qu'elles soient situées en partie externe ou en partie
interne, de la partie externe vers la partie interne, de façon à mieux
refroidir cette partie basse de la chambre qui est moins bien alimentée
par l'air issu du diffuseur 3. Compte tenu de la longueur que doit
parcourir le flux d'air de refroidissement le long de la paroi du fond de
chambre 13, et tout spécialement pour les perforations 18 situées du côté
externe, il est impératif que les perforations aient une très grande
inclinaison, supérieure si possible aux 60 décrits dans la demande
antérieure. Des travaux en cours montrent en effet la possibilité
expérimentale de dépasser cette limite de 60 . L'inclinaison maximale
possible, compatible des contraintes techniques et économiques, sera
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alors envisagée. Une grande inclinaison a pour objet de refroidir le
mieux possible le métal du fond de chambre 13 mais aussi de faire en
sorte que cet air n'interfère pas avec l'air destiné à la combustion et ne
perturbe pas la richesse du mélange dans la zone de combustion
primaire.
Les gains apportés par cette nouvelle technique de
refroidissement du fond de chambre sont estimés à une division par deux
du débit d'air de refroidissement. Ces gains s'expliquent essentiellement
par la réduction de la masse à refroidir qui est apportée par la
suppression du déflecteur. Des gains de débit complémentaires sont
également apportés par l'augmentation de la perméabilité du système
d'injection, du fait de la suppression de la paroi formée par le déflecteur,
et par l'amélioration de l'efficacité du refroidissement de la paroi de fond
de chambre 13.
L'invention a été décrite avec un diffuseur 3 dont l'axe de sortie
est situé à proximité du carter externe 2 du moteur. Il est bien évident
que l'invention peut également être mise en oeuvre avec un diffuseur qui
éjecte l'air du côté de la paroi interne 12 de la chambre de combustion 1.
Dans ce cas les perforations 18 seront inclinées en direction de la paroi
externe 11 de la chambre 1 pour compenser la moins bonne alimentation
de cette paroi par l'air issu du diffuseur.
