Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 03124209 2021-06-18
WO 2020/128292 PCT/FR2019/053108
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CHAMBRE DE COMBUSTION D'UNE TURBOMACHINE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne le domaine des turbines à cycle régénératif
destinées notamment à la production d'énergie électrique ou mécanique
embarquée
à partir de carburants pour véhicules aéronautiques, terrestres, maritimes et
unités
mobiles légères.
Une turbine est composée de trois éléments :
= un compresseur, qui a pour rôle de comprimer de l'air ambiant à une
pression comprise entre 2 et 30 bars environ ;
= une chambre de combustion, dans laquelle un combustible est injecté
sous pression, puis brûlé avec l'air comprimé, avec un fort excès d'air afin
de limiter la
température des gaz d'échappement ;
= une turbine axiale dans laquelle sont détendus les gaz qui sortent de la
chambre de combustion.
Dans une turbine à cycle régénératif, les gaz d'échappement sortent de la
turbine à des températures élevées (supérieures à 500 C), alors que la
température
de l'air sortant du compresseur est plus basse (typiquement entre 200 C et 400
C),
avec une circulation à travers un échangeur de chaleur inséré entre les gaz
d'échappement et l'air comprimé permettant de réchauffer partiellement l'air
avant
entrée dans la chambre de combustion, ce qui permet de réduire la consommation
de
combustible.
L'invention concerne plus particulièrement la chambre de combustion et
l'injection de combustible dans la chambre de combustion.
Etat de la technique
Le brevet américain U54453384 décrit un exemple de turbine à gaz
comprenant:
- un boîtier annulaire ayant une pluralité de trous équidistants disposés
circonférentiellement; un tube à flamme annulaire positionné coaxialement à
l'intérieur et espacé dudit boîtier annulaire,
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- ledit tube à flamme annulaire ayant un nombre correspondant de trous
circonférentiellement équidistants alignés coaxialement avec les trous dudit
boîtier
- une pluralité de tubes s'étendant radialement à travers ledit tube de flamme
annulaire, chaque tube étant coaxial avec le trou correspondant dans le tube
de flamme annulaire et le trou correspondant dans le boîtier annulaire, chaque
tube s'étendant perpendiculairement à un axe dudit tube de flamme annulaire,
chaque tube ayant un conduit s'étendant à travers celui-ci avec un axe normal
à l'axe du tube et parallèle à l'axe dudit tube à flamme annulaire.
On connait aussi le brevet allemand DE1254911 proposant des
buses d'injection en forme de crochet montées dans le corps de buse
d'injection, qui
est fixé dans le porte-flamme avec son embout de buse, de manière à être
déplaçable par rapport aux parois de la chambre de combustion.
Dans un mode de réalisation de l'invention, la partie extérieure du
corps de buse d'injection en forme de crochet est montée coulissante dans un
guide,
éventuellement associé à la paroi extérieure de la chambre de combustion, et
un
dispositif de serrage dirigé parallèlement à l'embout buccal de la buse est
prévu pour
maintenir l'extrémité avant de l'embout buccal contre une butée fixée dans un
moyeu
du porte-flamme.
On connaît enfin la demande de brevet britannique GB2097112
décrivant un rûleur à carburant pour moteur à turbine à gaz comprenant un bras
d'alimentation en carburant et un injecteur de carburant, le bras
d'alimentation en
carburant et l'injecteur de carburant étant réunis, le bras d'alimentation en
carburant
ayant au moins un passage de carburant, l'injecteur de carburant 65 comprenant
un
corps ayant un passage dans communication avec l'au moins un passage de
carburant dans le bras d'alimentation en carburant, le corps ayant un conduit
d'air,
l'axe du conduit d'air étant coaxial avec l'axe de l'injecteur de carburant,
l'injecteur de
carburant ayant un ou plusieurs 70 passages de carburant pour injecter du
carburant
dans le conduit d'air, le brûleur de carburant ayant des moyens de
localisation à
l'extrémité adjacente à l'injecteur de carburant, les moyens de localisation
étant
agencés pour s'engager avec des moyens de localisation correspondants sur un
composant de moteur.
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Inconvénients de l'art antérieur
Le problème posé par les solutions de l'art antérieur concerne les turbines
présentant une chambre de combustion isolée de l'extérieur par une double
paroi,
deux parois définissant un conduit annulaire pour la circulation d'un flux
d'air comprimé
issue du compresseur et la troisième paroi étant la paroi extérieure de la
chambre de
combustion, permettant la circulation du même flux d'air réchauffé
préalablement à la
traversée d'un échangeur thermique. Le ou les injecteurs doivent traverser les
trois
parois de manière étanche ou à tout le moins avec une fuite contrôlée. Cela se
traduit
par un montage hyperstatique qui ne permet pas d'absorber les dilatations
thermiques
longitudinales de l'injecteur, ni les dilatations thermiques radiales et
longitudinales des
parois métalliques soumises à des températures fortement différenciées.
Par ailleurs, dans la solution décrite dans le brevet US4453384, l'injecteur
traverse les parois de la chambre de combustion par des trous simples,
référencés 38,
48 et 52. Ce document de l'art antérieur propose de positionner l'injecteur
coaxialement à l'intérieur de chacun des trous coaxiaux 52, 48 et 38 prévus
dans le
boîtier 50. Cette solution conduit donc à de multiples inconvénients : d'une
part, la
dilatation radiale de l'injecteur est différente de la dilatation surfacique
des parois, ce
qui conduit soit à des fuites entre la périphérie de l'injecteur et le bord
des trous de
passage dans la paroi, soit à des serrements du bords des trous autour de la
paroi de
l'injecteur, ce qui limite les possibilités de déplacement radiaux et peut
conduire à des
déformations et à une fatigue des parois.
Solution apportée par l'invention
Afin de répondre à ce problème, la présente invention concerne une chambre
de combustion d'une turbomachine, entourée de deux parois de révolution
coaxiales
s'étendant l'une à l'intérieur de l'autre et délimitant entre elles un espace
annulaire de
circulation d'air, et un second espace de circulation d'air délimité par la
paroi de
révolution de plus petit diamètre et la paroi extérieure de la chambre de
combustion,
et un au moins un injecteur traversant lesdites parois par des lumières,
caractérisée
en ce que l'injecteur comporte un tube périphérique relié auxdites parois par
trois
liaisons, deux liaisons au moins étant des liaisons souples étanches
permettant un
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débattement multidirectionnel, par exemple de type glissière ou/et de type
rotule ou de
type soufflet.
On entend par soufflet au sens du présent brevet une enveloppe étanche,
deformable au moins axialement et radialement, et optionnellement en torsion
ou en
basculement.
Selon des variantes de réalisation :
- l'une seulement desdites trois liaisons est constituée
¨ la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intérieure est
constituée par
une liaison linéaire annulaire avec une fuite contrôlée par section annulaire
calibrante
- la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intermédiaire est
constituée
par un soufflet
- la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi extérieure du
fourreau est
constituée par un soufflet
- la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intermédiaire du
fourreau
est constituée par une liaison rotule et la liaison entre ledit tube
périphérique et la paroi
extérieure du fourreau est constituée par une liaison rotule glissante
- la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi extérieure du
fourreau est
constituée par une liaison rotule glissante et la liaison entre ledit tube
périphérique et
la paroi intermédiaire du fourreau est constituée par une liaison rotule.
- la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intermédiaire du
fourreau
est constituée par une liaison présentant plusieurs degrés de liberté pour
permettre un
déplacement axial et un déplacement tangentiel du tube, et une tolérance pour
un
rotulage et en ce que la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi
extérieure du
fourreau est constituée par assemblage étanche rigide.
L'invention concerne aussi une turbine présentant une telle chambre de
combustion.
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Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit,
concernant un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins
annexés où :
- la figure 1 représente une vue en coupe d'une turbomachine selon l'invention
- les figures 2 à 8 représentent des vues schématiques de différentes
variantes de
réalisation.
Description de l'échangeur
La figure 1 représente une vue en perspective de la turbomachine,
comprenant un échangeur (1), un compresseur (2), une chambre de combustion (3)
et une turbine (4). Un déflecteur conique (11) coaxial avec l'échangeur (1)
fait circuler
les gaz chauds issus de la turbine (4) en direction d'une sortie d'évacuation
(12) après
avoir traversé l'échangeur (2), en traversant deux cassettes (5, 6) entre les
tubes.
Les parties constituées par le compresseur (2), la chambre de combustion (3)
et la turbine (4) sont connues de l'homme du métier, et conformes à l'état des
connaissances en matière de turbomachines.
L'échangeur (2) est constitué par un échangeur à tubes, comprenant deux
cassettes annulaires (5, 6) coaxiales.
La cassette extérieure (5) est constituée par un assemblage de tubes
parallèles, en alliage métallique résistant aux hautes températures, par
exemple de
l'acier inoxydable réfractaire 347.
A titre d'exemple, cette cassette extérieure (5) est constituée de 2000 tubes
d'une longueur de 300 millimètres, d'une section intérieure de 2,8 millimètres
et de
section extérieure de 3 millimètres. Les tubes sont maintenus de manière
connue par
des intercalaires pour définir des passages des gaz chauds provenant de la
turbine.
Les tubes forment un manchon d'un rayon extérieur de 158 millimètres et d'un
rayon intérieur de 128 millimètres.
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La cassette intérieure (6) est constituée de 2000 tubes d'une longueur de 300
millimètres, d'une section intérieure de 2,8 millimètres et de section
extérieure de 3
millimètres.
Les tubes forment un manchon d'un rayon extérieur de 123 millimètres et d'un
rayon intérieur de 67 millimètres.
Les deux cassettes (5, 6) sont coaxiales et encastrée l'une dans l'autre.
Ces deux cassettes (5, 6) sont réunies, à l'extrémité opposées au
compresseur (1), par une structure de fermeture annulaire (8).
Chacune des cassettes (5, 6) comporte, à chaque extrémité, une plaque
d'étanchéité frontale percée pour le passage des tubes, et assurant l'entraxe
constant
des tubes. Les tubes sont brasés ou soudés pour assurer l'étanchéité au niveau
de
leur raccordement avec les plaques frontales.
Cette structure de fermeture (8) est constituée de deux pièces coaxiales
emboîtées, présentant la forme générale d'un moule à baba au rhum, en acier
inoxydable réfractaire 347 d'une épaisseur de 2 millimètres.
La pièce extérieure (9) présente une section extérieure correspondant à la
section extérieure de la cassette extérieure (5) et une section intérieure
correspondant
à la section intérieure de la cassette intérieure (6).
La pièce intérieure (10) présente une section extérieure correspondant à la
section intérieure de la cassette extérieure (5) et une section intérieure
correspondant
à la section extérieure de la cassette intérieure (6).
Chacune des pièces (9, 10) présente une symétrie de révolution selon l'axe
de la turbomachine, avec une section longitudinale constante.
La structure de fermeture (8) assure la déflexion des gaz provenant de la
cassette extérieure (5) vers les tubes constituant la cassette intérieure (6).
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Cette solution assure un double passage des gaz dans l'échangeur (1), ce qui
augmente significativement son efficacité thermique pour un encombrement, et
notamment une longueur, donné.
La chambre de combustion (3) de type annulaire présente une double-
enveloppe intérieure formée par un fourreau (30) ( liner en anglais ) et
une paroi
(31). Le fourreau (30) et la paroi (31) définissent un volume tubulaire de
circulation du
flux d'air issue de l'échangeur (1). Une paroi extérieure (32) et la paroi 31
définissent
un volume tubulaire de circulation d'air issue du compresseur (2) et allant
vers
l'échangeur (1).
L'injecteur (35) traverse ces trois parois (30 à 32) à travers trois lumières.
Les
parois (30 à 32) ainsi que le tube (35) de l'injecteur sont soumis à des
dilatations
longitudinales et radiales. La fixation est assurée par une combinaison de
liaisons
évitant les situations hyperstatiques.
La liaison entre le tube (35) de l'injecteur et la paroi extérieure (32) est
assurée
par un soufflet (36) cylindrique.
La liaison entre le tube (35) de l'injecteur et la paroi intérieure (30) est
assurée
par un liaison glissière formée par une lumière calibrée définissant avec la
surface
extérieure du tube (35) un jeu annulaire calibrée.
La liaison entre le tube (35) de l'injecteur et la paroi intermédiaire (31)
est
assurée par une liaison fixe.
Première variante de réalisation
La première variante de réalisation est illustrée schématiquement par la
figure
2.
Le tube (35) de l'injecteur traverse les trois parois (30 à 31), avec des
liaisons
respectivement :
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8
- Une liaison rotule (42) pour le passage à travers la paroi
extérieure
(32)
Une liaison rotule-glissière (41) pour le passage à travers la paroi
intermédiaire (31)
Une liaison libre avec un jeu périphérique calibré (40) pour le
passage à travers la paroi intérieure (30).
Deuxième variante de réalisation
La deuxième variante de réalisation est illustrée schématiquement par la
figure
3.
Le tube (35) de l'injecteur traverse les trois parois (30 à 31), avec des
liaisons
respectivement :
Une liaison rotule-glissière (52) pour le passage à travers la paroi
extérieure (32)
Une liaison rotule (51) pour le passage à travers la paroi
intermédiaire (31)
Une liaison libre avec un jeu périphérique calibré (50) pour le
passage à travers la paroi intérieure (30).
Troisième variante de réalisation
La troisième variante de réalisation est illustrée schématiquement par la
figure
4.
Le tube (35) de l'injecteur traverse les trois parois (30 à 31), avec des
liaisons
respectivement :
- Un soufflet (62) pour le passage à travers la paroi
extérieure (32)
Une liaison soudée (61) pour le passage à travers la paroi
intermédiaire (31)
Une liaison libre avec un jeu périphérique calibré (60) pour le
passage à travers la paroi intérieure (30).
Quatrième variante de réalisation
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La quatrième variante de réalisation est illustrée schématiquement par la
figure 5.
Le tube (35) de l'injecteur traverse les trois parois (30 à 31), avec des
liaisons
respectivement :
Une liaison soudée (72) pour le passage à travers la paroi
extérieure (32)
Un soufflet tronconique métallique (71) pour le passage à travers
la paroi intermédiaire (31)
Une liaison libre avec un jeu périphérique calibré (70) pour le
passage à travers la paroi intérieure (30).
Cinquième variante de réalisation
La cinquième variante de réalisation est illustrée schématiquement par les
figures 6 à 8.
Le tube (35) de l'injecteur traverse les trois parois (30 à 31), avec des
liaisons
respectivement :
Une liaison soudée (72) pour le passage à travers la paroi
extérieure (32)
Une liaison multidirectionnelle (80) pour le passage à travers la
paroi intermédiaire (31)
Une liaison libre avec un jeu périphérique calibré (70) pour le
passage à travers la paroi intérieure (30).
La liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intermédiaire (31) du
fourreau est constituée par une liaison (80) présentant plusieurs degrés de
liberté pour
permettre un déplacement axial et un déplacement tangentiel du tube, et une
tolérance
pour un rotulage.
La liaison entre le tube périphérique (30) et la paroi extérieure (32) du
fourreau
est constituée par assemblage étanche rigide.
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La paroi extérieure (32) est traversée par un presse-étoupe (37) dans lequel
est inséré la tête (38) de la buse (35). Cette tête (38) présente une
collerette discale
(38) engagée entre les deux parties du presse-étoupe (37) qui assure un
serrage et
une étanchéité de cette collerette discale (38).
L'extrémité intérieure (40) traverse la paroi intérieure (30) par le passage
dans
un simple trou formé dans la paroi (30). Ce trou est oblong dans le cas
d'espèce, pour
prendre en compte l'inclinaison de l'axe de la buse (35) par rapport à l'axe
radial.
La liaison entre la buse (35) et la paroi intermédiaire (31) est réalisée par
une
pièce présente une partie supérieure (41) conique évasée vers l'extérieur,
prolongée
à sa base par une collerette discale (42) mobile en translation radiale dans
une fente
(42) formée dans la tête (44) d'un prolongement tubulaire (43) soudé à la
surface de
la paroi intérieure (30).
La collerette discale (42) est flexible, ce qui permet par ailleurs un léger
rotulage par rapport à ce prolongement tubulaire (43).
