Chambre de combustion comportant une double paroi

Description

[0001] Les turboréacteurs civils et militaires tendent vers des taux de compression de plus en plus élevés, d'où une élévation des températures en sortie de compresseur haute pression et à l'entrée de la turbine haute pression.

[0002] Les foyers de chambres de combustion équipant ces moteurs doivent être refroidis en conséquence, car leurs performances sont d'autant augmentées que le débit d'air alloué à leur refroidissement est faible.

[0003] Actuellement, les chambres de combustion sont composées de double parois à tuiles intérieures. US-A-4 392 355 montre un exemple de telles parois de chambre de combustion sur lesquelles le refroidissement est amélioré grâce à une surface rugueuse obtenue par attaque chimique localisée. Cependant, l'utilisation de tuiles, en matériaux céramiques, par exemple SiC/SiC, placées côté foyer pose des problèmes de refroidissement. Du fait de la faible conductivité du matériau, il est nécessaire d'avoir un grand débit de refroidissement. On sait également que les températures deviennent critiques au niveau des viroles disposées en aval de la chambre.

[0004] Il est donc impératif de prévoir une technologique de refroidissement efficace qui limite le débit d'air nécessaire à ce refroidissement.

[0005] La présente invention propose de nouvelles dispositions propices à permettre un refroidissement avec des débits limités, ainsi que l'utilisation de tuiles sans inconvénients secondaires.

[0006] L'invention a donc pour objet une chambre de combustion, utilisable notamment dans une turbomachine, comportant au moins une double paroi axiale, qui comporte elle-même une paroi interne traversée par une pluralité de trous constituant une multiperforation de réfrigération et une paroi externe écartée de la paroi interne de manière à ménager un espace de circulation d'un fluide réfrigérant, ladite chambre de combustion comportant également des moyens d'admission dudit fluide réfrigérant à l'intérieur dudit espace.

[0007] Selon l'invention, la face externe de la paroi interne présente de multiples inégalités de surface obtenues par projection de particules, et aptes à favoriser l'évacuation de la chaleur hors du matériau constituant ladite paroi interne.

[0008] Les avantageuses dispositions suivantes sont en outre de préférence adoptées:

• lesdites inégalités de surface sont obtenues par grenaillage ou par sablage de la face externe de la paroi interne, de manière à obtenir une rugosité Ra supérieure à 5, de préférence voisine de 6,3 micromètres ;
• la paroi interne comprend une virole annulaire, cependant que la paroi externe comprend plusieurs tuiles montées sur ladite paroi interne au moyen notamment de dispositifs compensateurs de dilatation thermique ;
• la paroi interne comporte des rebords annulaires qui sont disposés en saillie par rapport à la face externe de cette paroi interne, cependant que la paroi externe comprend des tuiles ayant des bords amont qui sont montés sur la paroi interne notamment au moyen desdits rebords annulaires et qui sont munis d'orifices d'admission, dans l'espace séparant les parois interne et externe, du fluide réfrigérant ;
• la paroi externe est traversée par une pluralité de trous constituant une multiperforation de réfrigération ;
• elle est associée à une turbine à gaz disposée en aval, possédant une enceinte de turbine à gaz, cependant que la partie aval de ladite double paroi de la chambre de combustion comporte des passages reliant l'espace compris entre les deux dites parois à l'enceinte de turbine à gaz, de manière qu'une partie du fluide réfrigérant admis dans ledit espace soit évacuée à l'intérieur de ladite enceinte de turbine à gaz.

[0009] L'avantage principal d'une chambre de combustion conforme à l'invention réside dans l'aptitude de ses parois à supporter des températures élevées grâce à une évacuation efficace de la chaleur qu'elles reçoivent.

[0010] L'invention sera mieux comprise et des caractéristiques secondaires et leurs avantages apparaîtront au cours de la description qui suit de réalisations donnée ci-dessous à titre d'exemple.

[0011] Il est entendu que la description et les dessins ne sont donnés qu'à titre indicatif et non limitatif.

[0012] Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels:

• la figure 1 est une coupe axiale d'une chambre de combustion conforme à l'invention; et
• les figures 2 et 3 sont des agrandissements du détail de la figure 1 représentant une partie aval de la paroi de la chambre de combustion, selon deux réalisations différentes conformes à l'invention.

[0013] La chambre de combustion représentée sur la figure 1 comprend une double paroi externe 1, de révolution, d'axe 2 ; une double paroi interne 3, de révolution d'axe 2 ; un fond 4 qui relie, en amont, les deux double parois 1 et 3 et s'étend transversalement par rapport à l'axe 2 ; une enveloppe externe 5, d'axe 2, entourant la double paroi interne 1 et délimitant, en coopération avec cette double paroi externe 1, un premier espace annulaire 6 ; une enveloppe interne 7, disposée entre la double paroi interne 3 et l'axe 2, de révolution d'axe 2 et délimitant, en coopération avec la double paroi interne 3, un deuxième espace annulaire 8. La chambre de combustion comporte également deux ensembles d'injecteurs de carburant, schématisés en 9 et 10, supportés par le fond 4, raccordés à un dispositif 11 d'alimentation en carburant ; une ouverture d'admission 12 de comburant, généralement de l'air, pour l'admission de comburant comprimé dans les espaces 6 et 8, communiquant en permanence avec lesdits espaces 6 et 8, située en amont du fond 4 ; et une ouverture d'échappement 13 des gaz hors de l'enceinte 14 de la chambre, située à la limite aval de la chambre, pour alimenter en gaz les aubages d'une turbine à gaz, elle-même située en aval de l'ouverture d'échappement 13. L'enceinte 14 est délimitée par les double parois externe 1 et interne 3 et par le fond 4 et débouche en aval par l'intermédiaire de l'ouverture d'échappement 13.

[0014] Chaque double paroi est réalisée selon l'une ou l'autre des variantes représentées sur les figures 2 et 3. En l'espèce, les figures 2 et 3 représentent plus particulièrement la partie aval de la double paroi externe 1, située immédiatement en amont des aubages de la turbine à gaz, mais les autres parties des double parois 1 et 3 sont susceptibles de posséder une constitution analogue.

[0015] Dans la réalisation de la figure 2, la double paroi externe 1 comprend une virole 15, de révolution d'axe 2, qui, par une gouttière 22 en V qui en fait partie, est raccordée à la lisière aval 16 de l'enveloppe externe 5. La face interne 15A de la virole 15 constitue la limite de l'enceinte 14 de la chambre de combustion. De place en place, un rebord 17 de révolution d'axe 2, solidaire de la virole 15, s'étend à partir de la face externe 15B de la virole 15, en constituant un logement 18. Une tuile 19, présentant des éléments d'appui 20 sur la face externe 15B de la virole 15, a son extrémité amont 19A introduite à coulissement dans le logement 18 et y est maintenue par l'intermédiaire d'un dispositif de montage 21, et à son extrémité aval 19B en appui, et fixée sur la gouttière 22. Les éléments d'appui 20 maintiennent la face interne 19A de la tuile 19 écartée de la face externe 15B de la virole 15 de sorte qu'un espace 23 de circulation d'un fluide réfrigérant est ménagé entre la tuile 19 et la virole 15.

[0016] L'espace 23 communique :

• par l'intermédiaire de trous 24 ménagés dans le rebord 17 avec le premier espace annulaire 6;
• par l'intermédiaire d'une ouverture 25 ménagée dans la paroi de la gouttière 22, avec l'enceinte 26 de la turbine à gaz ; et
• par l'intermédiaire d'une pluralité de petits trous traversants 27, ménagés dans la paroi de la virole 15, avec l'enceinte 14 de la chambre de combustion.

[0017] A noter encore le fait que la face externe 15B de la virole 15 a une surface rugueuse, d'une rugosité Ra supérieure à 5, de préférence voisine de 6,3 obtenue soit par sablage, soit par grenaillage de ladite face externe 15B.

[0018] La réalisation de la figure 3 comporte l'ensemble des dispositions de la figure 2, complété par la réalisation d'une pluralité de trous traversants 28, ménagés dans la tuile 19 et reliant le premier espace annulaire 6 à l'espace 23 compris entre la tuile 19 et la virole 15. Les trous 28, comme les trous 27, forment des multiperforations de leurs parois respectives.

[0019] Selon la réalisation de la figure 2, l'air comprimé contenu dans le premier espace annulaire 6 pénètre dans l'espace annulaire 23 en traversant les trous 24. Une partie de l'air pénètre dans l'enceinte 14 de la chambre de combustion et, en s'écoulant le long de la face interne 15A de la virole 15, forme un film de fluide de réfrigération de ladite virole. Le reste du fluide ayant pénétré dans l'espace 23 s'en échappe en traversant l'ouverture 25 et sert à refroidir les aubages de la turbine (haute pression) contenus dans l'enceinte 26.

[0020] Il convient d'observer que la rugosité de la face externe 15B de la virole 15 empêche la formation d'une couche limite d'écoulement du fluide réfrigérant le long de la face externe 15B, ce qui contribue à l'obtention d'une grande efficacité en ce qui concerne l'évacuation de la chaleur et la réfrigération de la virole 15. L'introduction du réfrigérant dans l'espace 23, de manière qu'il frappe les aspérités de la face externe 15 de la virole, la tuile 19 étant donc placée à l'extérieur de l'enceinte 14 de la chambre de combustion permet l'obtention de ladite efficacité de la réfrigération.

[0021] Le dispositif 21 permet la compensation des différences de dilatation entre la virole 15 et la tuile 19.

[0022] Les dispositions conformes à l'invention sont applicables aux diverses parois axiales de la chambre de combustion et, en premier lieu, à celle qui est thermiquement la plus exposée, qui est située dans la partie aval, adjacente à l'enceinte de la turbine à gaz proprement dite. L'adoption des dispositions décrites a pour effet une diminution de la température de 40 à 50°C, mais aussi un gain de masse, car elle rend possible la réalisation des tuiles 19 en un matériau ayant une faible masse volumique (tel que des matériaux composites ou analogues) et apte à résister à des températures de l'ordre de 700°C.

[0023] En outre, les fuites de gaz chauds qui, antérieurement, se produisaient au niveau des tuiles placées entre la virole et l'axe, sont éliminées, lesdites tuiles étant maintenant placées à l'extérieur de l'enceinte 14 de la chambre de combustion, au-delà de la virole continue 15 par rapport à l'axe 2.

[0024] Enfin, la récupération de la partie du fluide réfrigérant, qui est évacuée dans l'enceinte 26 de la turbine à gaz, contribue à l'obtention d'un rendement élevé de la turbomachine.

Revendications

1. Chambre de combustion, utilisable notamment dans une turbomachine, comportant au moins une double paroi axiale (1;3) qui comporte elle-même une paroi interne (15) traversée par une pluralité de trous (27) constituant une multiperforation de réfrigération et une paroi externe (19) écartée de la paroi interne (15) de manière à ménager un espace (23) de circulation d'un fluide réfrigérant, ladite chambre de combustion comportant également des moyens (12-6-8) d'admission dudit fluide réfrigérant à l'intérieur dudit espace, ladite face externe (15B) de la paroi interne (15) présentant de multiples inégalités de surface aptes à favoriser l'évacuation de la chaleur hors du matériau constituant ladite paroi interne, caractérisée en ce que lesdites inégalités de surface sont obtenues par projection de particules sur la face externe de la paroi interne.

2. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la projection est obtenue par grenaillage.

3. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la projection est obtenue par sablage

4. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la rugosité Ra de la face externe de la paroi interne est supérieure à 5, de préférence voisine de 6,3 micromètre.

5. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la paroi interne (15) comprend une virole annulaire, cependant que la paroi externe (19) comprend plusieurs tuiles montées sur ladite paroi interne au moyen notamment de dispositifs (21) compensateurs de dilatation thermique.

6. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la paroi interne (15) comporte des rebords annulaires (17) qui sont disposés en saillie par rapport à la face externe (15B) de cette paroi interne, cependant que la paroi externe (19) comprend des tuiles ayant des bords amont (19A) qui sont montés sur la paroi interne notamment au moyen desdits rebords annulaires (17) et qui sont munis d'orifices d'admission (24) dans l'espace (23) séparant les parois interne (15) et externe (19) du fluide réfrigérant.

7. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la paroi externe (19) est traversée par une pluralité de trous (28) constituant une multiperforation de réfrigération.

8. Turbine à gaz associée à une chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ladite turbine est disposée en aval et possède une enceinte (26) de turbine à gaz, cependant que la partie aval (22) de ladite double paroi de la chambre de combustion comporte des passages (25) reliant l'espace (23) compris entre les deux dites parois à l'enceinte (26) de turbine à gaz, de manière qu'une partie du fluide réfrigérant admis dans ledit espace soit évacuée à l'intérieur de ladite enceinte (26) de turbine à gaz.

Ansprüche

1. Brennkammer, insbesondere für den Einsatz in einer Turbomaschine, mit wenigstens einer axialen Doppelwand (1; 3), die ihrerseits eine Innenwand (15) aufweist, die von einer Mehrzahl von Löchern (27) durchdrungen ist, die eine Mehrfachlochung zur Kühlung bilden, sowie eine Außenwand (19), die im Abstand von der Innenwand (15) angeordnet ist, so daß ein Zwischenraum (23) für die Zirkulation eines Kühlfluids gebildet wird, wobei die Brennkammer außerdem Mittel (12-6-8) für den Zutritt des Kühlfluids in Innere des genannten Zwischenraums aufweist und wobei die Außenseite (15B) der Innenwand (15) eine Vielzahl von Oberflächenunebenheiten besitzt, die die Wärmeabführung aus dem die Innenwand bildenden Material begünstigen, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Oberflächenunebenheiten durch Strahlen von Partikeln auf die Außenseite der Innenwand hergestellt sind.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlen durch Stahlkiesstrahlen erzielt wird.

3. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlen durch Sandstrahlen erzielt wird.

4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhigkeit Ra der Außenseite der Innenwand größer ist als 5 Mikrometer, vorzugsweise bei 6,3 Mikrometer liegt.

5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (15) einen ringförmigen Mantel aufweist, während die Außenwand (19) mehrere schindelförmige Elemente aufweist, die vorzugsweise mit Hilfe von Vorrichtungen (21) zur Kompensation der Wärmeausdehnung auf der Außenwand montiert sind.

6. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (15) ringförmigen Randleisten (17) aufweist, die so angeordnet sind, daß sie aus der Außenseite (15B) der Innenwand herausstehen, während die Außenwand (19) schindelförmige Elemente aufweist, die mit ihren stromaufwärtigen Rändern (19A) auf der Innenwand vorzugsweise mit Hilfe der genannten ringförmigen Randleisten (17) montiert sind, die mit Öffnungen (24) für den Zutritt des Kühlfluids in den die Innenwand (15) und die Außenwand (19) trennenden Zwischenraum (23) ausgestattet sind.

7. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (19) von einer Mehrzahl von Löchern (28) durchdrungen ist, die eine Mehrfachlochung zur Kühlung bilden.

8. Gasturbine mit einer Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine auf der stromabwärtigen Seite angeordnet ist und ein Gasturbinengehäuse (26) besitzt, während der stromabwärtige Teil (22) der Doppelwand der Brennkammer Durchgänge (25) aufweist, die den Zwischenraum (23) zwischen den zwei Wänden mit dem Gasturbinengehäuse (26) verbinden, so daß ein Teil des in den genannten Zwischenraum eintretenden Kühlfluids in den Innenraum des Gasturbinengehäuses (26) abgeführt wird.

Claims

1. A combustor, of use inter alia in a turbomachine, having at least one axial double wall (1;3) which comprises an inner wall (15) formed with a number of apertures (27) serving as a multiperforate cooling arrangement and an outer wall (19) spaced apart from the inner wall (15) to leave a space (23) for the flow of a cooling fluid, the combustor also comprising means (12-6-8) for admitting the cooling fluid into the space, the outer surface (15B) of the inner wall (15) having numerous surface bumps for boosting heat dissipation from the material of the inner wall, characterised in that the surface bumps are produced by projecting particles onto the outer surface of the inner wall.

2. A combustor according to claim 1, characterised in that the projection is effected by shotblasting.

3. A combustor according to claim 1, characterised in that the projection is effected by sandblasting.

4. A combustor according to any of claims 1 to 3,
characterised in that the roughness Ra of the outer surface of the inner wall is greater than 5 micrometres and is preferably approximately 6.3 micrometres.

5. A combustor according to any of claims 1 to 4,
characterised in that the inner wall (15) comprises an annular casing and the outer wall (19) comprises a number of tiles mounted on the inner wall inter alia by way of means (21) for compensating for heat expansion.

6. A combustor according to any of claims 1 to 5,
characterised in that the inner wall (15) has annular edges (17) which project from the outer surface (15B) of the inner wall (15) and the outer wall (19) comprises tiles whose upstream edges (19a) are mounted on the inner wall (15) inter alia by way of the annular edges (17) and which are formed with orifices (24) giving entry into the cooling fluid flow space (23) between the inner wall (15) and the outer wall (19).

7. A combustor according to any of claims 1 to 6,
characterised in that a number of apertures (28) serving as a multiperforate cooling arrangement extend through the outer wall (19).

8. A gas turbine associated with a combustor according to any of claims 1 to 7, characterised in that the turbine is disposed downstream and has a gas turbine enclosure (26) and the downstream part (22) of the double wall of the combustor comprises passages (25) through which the space (23) between the two walls communicates with the gas turbine enclosure (26) so that some of the cooling fluid taken into the space (23) discharges into the interior of the gas turbine enclosure (26).

Dessins