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(11) | EP 0 049 190 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Dispositif de refroidissement par film d'air pour tube à flamme de moteur à turbine à gaz |
| (57) Dispositif de refroidissement par film d'air pour tube à flamme de moteur à turbine
à gaz formant une pièce de raccordement entre une section aval (1 ) et une section
amont (2) du tube. Il est constitué d'une paroi externe (7) et d'une paroi interne
(8) présentant chacune une portion cylindrique (14, 15). La paroi externe porte des
orifices radiaux (10). La portion cylindrique (14) de la paroi externe (7) est raccordée
en aval par une portion conique (16) à la section aval (1) du tube. La paroi externe,
en aval de la portion conique, et la paroi interne constituent la fente (13) en forme
de canal annulaire. Les portions amont des parois interne et externe se raccordent
à la section amont (2) du tube à flamme par des portions coniques (17). |
[0001] L'invention concerne un dispositif de refroidissement par film d'air pour tube à flamme de moteur à turbine à gaz, ledit dispositif formant une pièce annulaire de raccordement, entre une section aval et une section amont du tube à flamme, comportant une paroi externe et une paroi interne délimitant entre elles une chambre alimentée en direction radiale par au moins une rangée d'orifices pratiqués dans la paroi interne, la paroi interne délimitant avec la paroi externe une fente annulaire de sortie par laquelle s'écoule un film d'air de refroidissement et d'isolation de la paroi interne de la section aval du tube à flamme.
[0002] Le tube à flamme, qui prolonge la chambre de combustion, est soumis à un flux de chaleur important puisque c'est dans celui-ci que se produit le phénomène de combustion du mélange air carburant réalisé dans la chambre. Il est donc nécessaire de refroidir le tube à flamme et, pour ce faire, on introduit dans le tube de l'air prélevé sur l'écoulement haute pression, de manière à former un film ou-pellicule d'air sur la paroi du tube afin de le soustraire à l'action directe de la flamme et de le refroidir.
[0003] De nombreuses réalisations de dispositif de refroidis- . sement ont été faites. C'est ainsi que le brevet français 1 432 316 décrit une pièce annulaire de raccordement entre deux sections de tube à flamme. La pièce est formée de deux anneaux concentriques espacés. L'anneau intérieur est raccordé ou fait partie de la portion de tube amont, tandis que l'anneau extérieur fait partie de la portion de tube aval. L'extrémité amont de l'anneau extérieur est raccordée à l'anneau intérieur par un rebord annulaire radial. Des orifices d'entrée d'air dirigés axialement sont prévus dans ce rebord, d'autres, dirigés radialement, sont prévus dans l'anneau extérieur. L'extrémité libre de l'anneau intérieur est inclinée vers l'anneau extérieur de manière à former une fente par laquelle s'écoule l'air de refroidissement.
[0004] Les problèmes que tente de résoudre un tel dispositif sont principalement le décollement du film d'air de la paroi du tube et le refroidissement de l'anneau intérieur, dans sa partie comprise entre le rebord et son extrémité libre et qui sera par la suite dénommé "languette"..Pour éyiter le décollement du film et pour assurer un isolement convenable de la paroi, il faut que son écoulement soit non turbulent et que sa vitesse soit approximativement égale à la vitesse du flux de gaz dans le tube à flamme. Ces conditions sont obtenues entre autres par l'utilisation d'une languette longue, mais celle-ci n'est alors plus suffisamment refroidie et la longévité du dispositif en est affectée.
[0005] Le problème du refroidissement de la languette ne semble pas avo.ir reçu de solution particulière. En. effet, la disposition des orifices de prise d'air de manière à obtenir des jets axiaux et/ou radiaux montre que l'effet de refroidissement est surtout attendu de l'écoulement de l'air le long de la paroi.
[0006] Le brevet français 1 510 874 présente un dispositif comportant uniquement des orifices radiaux qui ont pour fonction principale de permettre le réglage du débit du fluide de refroidissement. La languette, courte et rigide, protège les orifices contre le fluide intérieur chaud et engendre le film désiré d'air de refroidissement. Une des préoccupations essentielles dans la réalisation de la languette semble avoir été de diminuer sa longueur, afin de lui éviter les gradients de température. Des fentes axiales lui permettent éventuellement une certaine dilatation.
[0007] L'utilisation des orifices pour le réglage du débit de refroidissement ne permet pas d'obtenir des jets radiaux ayant un impact suffisant sur la languette pour assurer son refroidissement. Les dispositifs précédemment décrits convenaient pour les moteurs à réaction classiques, mais ne sauraient donner satisfaction pour les moteurs de la nouvelle génération dont les taux de pression et les températures à l'entrée dela turbine sont plus élevés. A poussée identique, ces moteurs ont des chambres de combustion plus réduites, ce qui entraine une diminution des sections de passage de l'air de refroidissement et une augmentation de l'épaisseur des parois. La mise en oeuvre de dispositifs de refroidissement connus est impossible technologiquement ou conduit à une augmentation de la quantité d'air de refroidissement inadmissible pour les cycles des moteurs envisagés.
[0008] L'invention vise à réaliser un refroidissement par impact sur la languette et à obtenir un film de refroidissement dont le débit est parfaitement contrôlé.
[0009] Le refroidissement est obtenu par des jets radiaux qui, pour être efficaces, doivent conserver leur énergie cinétique radiale, sans que celle-ci soit diminuée ou même supprimée p.ar un mouvement axial trop rapide dans la zone de ces jets. Il faut donc que la vitesse axiale dans la zone des jets radiaux soit aussi faible que possible.
[0010] Les dispositifs connus possèdent tous un réglage à l'entrée du débit d'alimentation du film. L'invention effectue ce réglage dans la fente de sortie par un étagement judicieux des vitesses d'écoulement, ce qui permet de choisir la hauteur de la chambre, disposée en amont de la fente, pour obtenir un effet d'impact réel sur la languette exposée aux gaz chauds. Le mode de formation du film de refroidissement permet l'utilisation du dispositif selon l'invention dans des tubes à flamme de diamètre constant ou non par modification de la position de la paroi amont.
[0011] Le dispositif selon l'invention est remarquable en ce que les parois externe et interne présentent chacune une portion cylindrique s'étendant longitudinalement, lesdites portions étant coaxiales et espacées l'une de l'autre, la portion cylindrique de la paroi externe étant raccordée en aval par une portion conique à la section aval du tube à flamme, les portions cylindriques des parois externe. et interne étant raccordées en amont par au moins une portion approximativement conique à la section amont du tube à flamme.
[0012] Les explications et figures données ci-après à titre d'exemple permettront de comprendre comment l'invention peut être réalisée.
La figure 1 est une vue de dessus du dispositif selon l'invention.
La figure 2 est une vue en coupe selon II-II de la figure 1.
La figure 3 montre l'écoulement des filets d'air dans le dispositif de l'invention.
[0013] Le dispositif de refroidissement par film d'air (Fig.1,2) selon l'invention, forme une pièce annulaire de raccordement entre une section aval 1 et une section amont 2 du tube à flamme, auxquelles elle est soudée en 3 et 4 par l'intermédiaire de portions cylindriques de raccordement 5, 6 de diamètre correspondant au diamètre des sections du tube à flamme.
[0014] Le dispositif est constitué, en outre, d'une paroi externe 7 et d'une paroi interne 8 délimitant entre elles une chambre annulaire 9. La paroi externe porte des orifices 10 radiaux disposés selon des directrices de la paroi 7. Selon la forme de réalisation représentée, la paroi 7 porte deux rangées 11, 12 d'orifices, mais leur nombre peut aller jusqu'à 4. Dans chaque rangée les orifices sont équidistants.
[0015] Afin d'éviter des perturbations dans l'impact des jets axiaux contre la paroi 8 de la chambre, les orifices sont décalés périphériquement d'une rangée à la rangée suivante.
[0016] La paroi interne 8 délimite avec la pardi externe 7 une fente annulaire 13 de sortie par laquelle s'écoule le film d'air de refroidissement et d'isolation de la paroi de la section aval 1 du tube à flamme.
[0017] Selon des caractéristiques de l'invention, la paroi externe 7 et la paroi interne 8 présentent chacune Une portion cylindrique 14' et 15 respectivement. Ces portions sont coaxiales et sont espacées l'une de l'autre.
[0018] .La portion cylindrique 14 de la paroi externe 7 est raccordée en aval par une portion conique 16 à la section aval 1 du tube à flamme par l'intermédiaire de la portion cylindrique 5 de raccordement.
[0019] Les extrémités amont des portions cylindriques 14 et 15 sont raccordées à la section amont 2 du tube à flamme par au moins une portion approximativement conique 17. La figure 2 représente trois positions possibles (en trait plein, trait interrompu et trait mixte) de la paroi 2 amont selon que les autres sections à raccorder du tube à flamme sont de même diamètres ou de diamètres différents.
[0020] Lorsque la section amont est de diamètre supérieur à la section aval, la paroi interne 8 est raccordée par une portion approximativement conique à la section 2. Lorsque cette section est de diamètre inférieur, c'est la paroi extérieure qui y est raccordée par une portion approximativement conique. Enfin, lorsque les deux sections sont de même diamètre, chaque paroi est raccordée par une portion approximativement conique. Ces portions approximativement coniques17 sont conformées, à leur raccordement, de manière à présenter un profil aérodynamique permettant un écoulement non turbulent aussi bien de l'air de refroidissement 18 provenant du compresseur, que des gaz chauds 19 passant dans le tube à flamme.
[0021] La paroi interne 8, dans sa partie cylindrique 15, se prolonge pour former, avec la portion cylindrique 5 de raccordement à la section aval 1 du tube à flamme, la fente 13, se présentant sous la forme d'un canal annulaire dont la largeur h'est inférieur à la longueur 'L.
[0022] Suivant l'exemple de réalisation, la chambre 9 est sé-. parée en plusieurs secteurs par des renforts longitudinaux 20 qui permettent de conserver des dimensions rigoureuses à la chambre et au canal annulaire, et en particulier la hauteur de la chambre et la largeur du canal.
[0023] La figure 3 permet de comprendre le fonctionnement aérodynamique du dispositif. Le film 21 est alimenté par les jets d'air'qui pénètrent radialement dans la chambre 9. Les jets, qui viennent frapper la surface interne de la paroi interne 8 exposée aux gaz chauds 19, favorisent par effet d'impact son refroidissement. L'écoulement issu des jets s'engage dans le convergent 22, formé de la partie conique 16, dont le rôle est, en l'accélérant, de favoriser son mélange, donc d'atténuer les sillages des renforts. Le convergent se termine par une fente 13 en forme de canal annulaire dont la longueur.doit être suffisante pour obtenir un profil de vitesse.correct au débouché dans le tube à flamme.
[0024] La paroi interne 8, délimitant la fente, présente à sa partie aval et jusqu'au bord libre, une portion extérieure en biseau, Ce biseau permet de réduire le sillage au débouché de la fente. De préférence, l'épaisseur e du bord libre de la paroi 8 est inférieure à la moitié de la largeur h de la fente. Un étagement convenable des vitesses d'écoulement permet le contrôle du débit dans la fente de sortie et le choix d'une hauteur de chambre convenable pour produire l'effet d'impact sur la paroi exposée aux gaz chauds.
[0025] Le résultat est obtenu lorsque la hauteur H de la chambre 9 est égale ou supérieure à deux fois la largeur h de la fente 13 ; la longueuu c projetée de la portion conique 16 comprise entre la paroi externe cylindrique 14 et la section aval du tube à flamme 5 est égale ou supérieure à 1,2 fois la hauteur H de la chambre ; la longueur L du canal annulaire de la fente 13 est égale ou supérieure à 2 fois la largeur h de la fente ; et le diamètre des orifices 10 est égal ou inférieur à 0,5 fois la largeur h de la fente.
[0026] Ces dimensionnements permettent les meilleurs résultats tout en conservant un débit d'air faible, la largeur de la fente pouvant être inférieure au millimètre.
[0027] L'emploi de rangées multiples de trous procure une alimentation suffisante de la chambre, sans affaiblir la structure de liaison. Par exemple, pour trois rangées d'orifices, la première rangée envoie des jets radiaux dans une chambre où la vitesse locale axiale est faible puisqu'il y aura environ 1/3 de la vitesse axiale à la sortie de la chambre avant convergent. L'impact sera donc meilleur pour la première rangée qui correspond précisément à la partie de paroi interne qu'il faut le mieux refroidir.
1. Dispositif de refroidissement par film d'air pour tube à flamme de moteur à turbine
à gaz, ledit dispositif formant une pièce annulaire de raccordement entre une section
aval (1) et une section amont (2) du tube à flamme, comportant une paroi externe (7)
et une paroi interne (8) délimitant entre elles une chambre (9) alimentée en direction
radiale par au moins une rangée d'orifices (10) pratiqués dans la paroi externe, la
paroi interne délimitant avec la paroi externe une fente annulaire (13) de sortie
par laquelle s'écoule un film d'air de refroidissement et d'isolation de la paroi
interne de la section aval du tube à flamme, caractérisé en ce que les parois externe
(7) et interne (8) présentent chacune une portion cylindrique (14, 15) s'étendant
axialement, lesdites portions étant coaxiales et espacées l'une de l'autre, la portion
cylindrique (14) de la paroi -externe (7) étant raccordée en aval par. une portion
conique (16) à la section aval (1) du tube à flamme, les portions cylindriques des
parois externe et interne étant raccordées en amont par au moins une portion approximativement
conique (17) à la section amont (2) du tube à flamme.
2. Dispositif selon la revendication.1, caractérisé en ce que la fente annulaire (13)
est formée d'un canal annulaire cylindrique, défini par la paroi cylindrique aval
(1) du tube à flamme et une partie cylindrique (15) aval de la paroi interne (8),
dont la largeur est inférieure à la-longueur.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la paroi interne
(8) est raccordée à la section amont (2) du tube à flamme par une portion approximativement
conique (17).
4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la paroi externe
(7) est raccordée à la section amont (2) du tube à flamme par une portion approximativement
conique.
5. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les parois externe
(7) et interne (8) sont raccordées à la section amont (2) du tube à flamme par des
portions approximativement coniques.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ses
dimensions sont définies par les valeurs suivantes :
h = largeur de la fente
H = hauteur de la chambre
c = longueur projetée de la portion conique entre la paroi interne et la section aval du tube à flamme
L = longueur du canal annulaire de la fente
d = diamètre des orifices.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'épaisseur du bord
libre de la paroi interne délimitant la fente (13) est inférieure à la moitié de la
largeur de la fente.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la
paroi interne (8) présente à sa partie aval une portion extérieure enbiseau.
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le
nombre de rangées d'orifices est choisi dans la suite {2, 3, 4} .