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CA 02871923 2014-10-28
WO 2013/175126 PCT/FR2013/051117
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VIROLE DE CHAMBRE DE COMBUSTION DE TURBOMACHINE
DESCRIPTION
L'invention présente se rapporte à une virole de chambre de
combustion de turbomachine.
La virole dont il est ici question délimite un tube à flamme où la
combustion a lieu, et qui est donc soumise à un échauffement important sur sa
face
intérieure, alors que sa face extérieure est parcourue par un écoulement de
gaz frais,
originaire des compresseurs de la turbomachine et qui se mêle aux gaz de
combustion en
aval de la virole avant de passer dans les turbines.
Une telle virole est traversée par plusieurs genres de perçages, dont des
perçages de dilution de relativement gros diamètre destinés à laisser entrer
une partie de
l'écoulement extérieur dans le tube à flamme afin d'améliorer la composition
du mélange
de combustion, et des perçages de ventilation plus fins, plus nombreux et
répartis sur la
plus grande partie de la superficie de la virole, pour permettre aussi une
entrée d'air de
l'écoulement extérieur, mais dont l'effet est de protéger la virole de
l'échauffement, en
formant un écoulement rasant vers l'aval sur la face intérieure de la virole
et donc une
couche limite plus fraîche que les gaz de combustion.
Cette couche limite se reforme mal immédiatement en aval des
perçages de gros diamètres, qui rompent l'écoulement rasant, et que les
parties
correspondantes de la virole, soumises intégralement ou presque à
l'échauffement, sont
sujettes à des déformations et contraintes découlant de dilatations
différentielles, qui
peuvent faire naître des criques.
Le document EP-A-1 703 207 décrit une chambre de combustion sur
laquelle l'invention peut être implantée. Et les problèmes ci-dessus sont
mentionnés dans
la demande de brevet français enregistrée sous le numéro 11 53232 qui expose
une
modification de l'agencement classique de la virole pour reformer la couche
limite
immédiatement en aval des perçages de gros diamètre et soulager ainsi la
virole. Une
autre solution est toutefois proposée avec la présente invention.
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Sous une forme générale, elle concerne une virole de chambre de
combustion de turbomachine, comprenant des perçages de dilution et des
perçages de
ventilation environnant les perçages de dilution et plus fins et plus nombreux
qu'eux,
caractérisée en ce qu'elle comprend des plaquettes s'étendant au-dessus et
autour des
perçages de dilution sur une face extérieure de la virole, la virole est
dépourvue des
perçages de ventilation à des portions situées au-dessus des plaquettes, les
plaquettes
comprenant chacune un rebord de fixation à la virole et un orifice s'étendant
au-dessus
d'un des perçages de dilution respectifs, et les plaquettes sont traversées
des perçages
dirigés vers lesdites portions de la virole.
L'effet essentiel obtenu est que la surpression qui règne autour de la
virole fait pénétrer de l'air à travers les perçages de la plaquette, en jets
qui viennent
frapper la face extérieure de la virole et produire à cet endroit le
rafraîchissement
souhaité, avec une intensité plus grande que des perçages de ventilation
disposés à
travers la virole, que l'air traverse très rapidement. Au lieu de cela, l'air
aspiré sous la
plaquette s'écoule sur la face extérieure de la virole après l'avoir atteinte,
en se dirigeant
vers le perçage de dilution, et cette durée d'écoulement occasionne un
enlèvement de
chaleur plus important. Quand l'air est entré dans le perçage de dilution, la
vitesse assez
faible dont il est alors animé peut permettre qu'il reprenne assez facilement
une direction
tangente vers l'aval, ce qui contribuera à rétablir la couche limite sur la
face intérieure de
la virole et améliorera encore la ventilation.
Selon les besoins, les plaquettes peuvent être parallèles à la virole ou
inclinées par rapport à elle dans une direction axiale de la virole. Les
perçages des
plaquettes sont avantageusement perpendiculaires à la virole, mais ils peuvent
être aussi
placés obliquement ; tous ces aménagements sont à décider dans chaque
conception.
Il est avantageux que les plaquettes s'étendent plus dans la direction
aval de la virole que dans d'autres directions à partir des centres des
perçages de dilution,
puisque les portions de la virole qui sont soumises à un échauffement intense
sont
précisément en aval de ces perçages. Les plaquettes peuvent toutefois subir un
étrécissement dans cette direction aval de la virole, puisque la couche limite
se
reconstitue suivant la même forme, en contournant les perçages de dilution.
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Une autre caractéristique favorable est obtenue si les plaquettes
comprennent chacune un rebord intérieur entourant l'orifice respectif et
s'étendant vers
le passage de dilution respectif, ce qui permet de canaliser à la fois l'air
aspiré
directement par les perçages de dilution en passant par l'orifice de la
plaquette, et l'air
aspiré par les perçages de la plaquette et soufflant sur la virole, qui passe
alors autour de
ce rebord intérieur.
Une bonne cohésion est obtenue si le rebord intérieur est serré entre
des secteurs de fixation situés dans le perçage de dilution respectif, des
secteurs
d'écoulement étant délimités dans ledit perçage de dilution respectif par le
rebord
intérieur et entre les secteurs de fixation. Afin de favoriser la poursuite de
l'écoulement
du côté aval du perçage de dilution, il est encore plus avantageux alors que
le perçage de
dilution et le rebord intérieur aient des centres décalés dans une direction
axiale de la
virole, de sorte que les secteurs d'écoulement ont une superficie principale
en aval du
rebord intérieur.
Un autre aspect de l'invention est une chambre de combustion de
turbomachine comprenant une telle virole.
L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures suivantes :
-
la figure 1 est une vue générale d'une chambre de combustion de
turbomachine et de sa virole ; et
- les figures 2 et 3 exposent l'invention plus précisément.
Une chambre de combustion de turbomachine où l'invention peut être
présente est représentée schématiquement à la Figure 1. On rappellera que ces
chambres
de combustion sont annulaires autour d'un axe de la turbomachine, de sorte que
la figure
1 est seulement une demi-coupe le long de l'axe. Un carénage 1 comprend une
virole
extérieure 2, une virole intérieure 3, toutes deux globalement coniques et
concentriques
entre elles, et un fond de chambre 4 annulaire joignant les viroles 2 et 3. Le
volume
interne de la chambre de combustion, formant un tube à flamme 16, est délimité
par les
viroles 2 et 3 et le fond de chambre 4 et s'ouvre du côté opposé au fond de
chambre 4
par une ouverture 5. La chambre de combustion est entourée par un carter
extérieur 6 et
un carter intérieur 7 qui délimitent une veine d'écoulement 10 que le carénage
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en deux portions de veine extérieure 8 et 9 qui contournent et longent le
carénage 1. L'air
de la veine d'écoulement 10 provient d'une tuyère 11 située en face d'une
ouverture 12
ménagée entre des carénages arrière 13 et 14 des viroles 2 et 3 (dans cette
description,
arrière et avant sont considérés en référence au sens de l'écoulement
d'air). Des
injecteurs de carburant 15 s'étendent à travers le carter extérieur 6,
l'ouverture 12 et le
fond de chambre 4 jusque dans le tube à flamme 16. Des bougies 17 traversent
aussi le
carter extérieur 6 à l'avant des injecteurs de carburant 15 et traversent
aussi la virole
extérieure 1 pour affleurer dans le tube à flamme 16. La plus grande partie de
l'écoulement d'air emprunte donc les veines 8 et 9, même si une portion
pénètre sous les
carénages 13 et 14 par l'ouverture 12.
Les viroles 2 et 3 sont traversées par de nombreux perçages, dont des
perçages de ventilation 38 fins et nombreux et des perçages de dilution 39 de
plus gros
diamètre, moins nombreux et répartis sur un cercle ou un petit nombre de
cercles. L'effet
commun de ces perçages est de laisser entrer de l'air des veines 8 et 9 dans
le tube à
flamme 16 à pression plus faible pour des buts variés.
L'invention pourra être mise en oeuvre sur l'une ou l'autre des viroles 2
et 3.
On passe maintenant au commentaire des figures 2 et 3. Des plaquettes
40 sont disposées sur la face extérieure de la virole 2 ou 3 et autour des
perçages de
dilution 39. Elles comprennent chacune une partie principale 41 s'étendant au-
dessus de
la virole 2 ou 3, un rebord extérieur 42 entourant la partie principale 41 et
fixé à la virole
2 ou 3, un orifice 43 s'étendant devant le perçage de dilution 39 respectif
mais de plus
petit rayon, un rebord intérieur 44 entourant l'orifice 43 et s'étendant
jusque dans la plus
grande partie de la profondeur du perçage de dilution 39, et des perçages 45
traversant la
partie principale 41 et débouchant devant une portion en regard de la virole 2
ou 3, qui
est dépourvue des perçages de ventilation 38 là. La plaquette 40 délimite donc
une
chambre 49 presque fermée devant la virole 2 ou 3 du perçage de dilution 39
respectif.
On voit à la figure 3 que la plaquette 40 a une forme générale à peu près
triangulaire,
s'étendant plus dans la direction aval de l'écoulement tout en devenant de
plus en plus
étroite, de manière à correspondre autant que possible à la zone de la virole
2 ou 3 où les
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criques peuvent apparaître. Le perçage de dilution 39 est muni de secteurs de
fixation 46
saillants vers le centre dudit perçage, qui viennent toucher et enserrer le
rebord intérieur
44. Ce rebord intérieur 44 et les secteurs de fixation 46 délimitent des
secteurs
d'écoulement de l'air ayant traversé les perçages 45 des plaquettes 40, dont,
ici, deux
5 secteurs latéraux 47 symétriques par rapport à une direction axiale de la
virole 2 ou 3 et
un secteur aval 48. On remarquera que les centres 01 et 02 du rebord intérieur
44 et du
perçage de dilution 39 sont décalés axialement, de sorte que les secteurs 47
ou 48 ont
une forme irrégulière et que le secteur aval 48 est plus large, ce qui
favorise l'écoulement
de la chambre 49 par ce secteur aval 48 et la reconstruction d'une couche
limite de
ventilation en aval du perçage de dilution 39.
L'écoulement spécifique procuré par la plaquette 40 est le suivant. De
l'air de l'écoulement de la veine 8 ou 9 en surpression est soufflé dans la
chambre 49 à
travers les perçages des plaquettes 45 et rafraîchit la virole 2 ou 3 autour
du perçage de
dilution 39 respectif, et notamment la portion en aval de celui-ci, par sa
face extérieure.
Cet air s'écoule ensuite dans le tube à flamme 16 par les secteurs 47 et 48
d'écoulement
et notamment à travers ce dernier. En arrivant dans le tube à flamme 16, son
écoulement
peut redevenir rapidement axial vers l'aval de la chambre de combustion et
reconstituer
une couche limite dans la zone susmentionnée de la virole 2 ou 3 en aval du
perçage de
dilution 38 et contribue encore à la protéger.
Les parties principales 41 des plaquettes 40 peuvent être ou non
parallèles à la portion en regard de la virole 2 ou 3, et les perçages 45
perpendiculaires ou
non à cette portion. Les parties principales 41 peuvent notamment être
inclinées en se
dressant en direction axiale de la virole 2 ou 3, selon le contour 41', pour
intercepter
mieux de l'air d'écoulement en créant un obstacle plus important.
