ROUX, Sébastien (3 rue d'Ourdy, Reau, Reau, F-77550, FR)
LACHAUD, Emilie (66 rue Bizet, Villejuif, Villejuif, F-94800, FR)
ROUX, Sébastien (3 rue d'Ourdy, Reau, Reau, F-77550, FR)
| REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion annulaire pour turbomachine comprenant une paroi externe (2), une paroi interne (3) et une paroi de fond de chambre (4) sur laquelle sont montés le long d'au moins une couronne circulaire des systèmes d'injection (5) identiques entre eux et destinés à mélanger du carburant en provenance d'injecteurs (6) à de l'air provenant d'un compresseur, 2. caractérisée en ce qu'au moins deux systèmes d'injection (5) situés sur une même couronne circulaire sont décalés longitudinalement, selon la direction de l'axe central de la chambre de combustion. Chambre de combustion selon la revendication 1 dont les systèmes d'injection comportent, dans le sens axial, une première partie, dite vrille (10), agencée pour mettre l'air (11) en rotation, et une seconde partie, dite tube de pré-mélange (12), agencée pour guider le mélange de l'air et dudit carburant vers la chambre de combustion (1), dans laquelle au moins certains des tubes de pré-mélange (12) des systèmes d'injection de ladite couronne circulaire font saillie dans la chambre de combustion en traversant son fond de chambre (4). 3. Chambre de combustion selon la revendication 2 dans laquelle les tubes de pré-mélange (12) des autres systèmes d'injection de ladite couronne circulaire affleurent le fond de chambre (4). 4. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 3 dans laquelle le décalage mis en place est égal au produit de la vitesse moyenne du mélange carburé entre la sortie du système d'injection et le point d'accrochage de la flamme produite par ledit système, à un régime générant une oscillation de la combustion, par l'inverse de la fréquence propre d'oscillation de la combustion dans ladite chambre au régime considéré. 5. Chambre de combustion selon la revendication 4 dans laquelle au moins certains des systèmes d'injection d'une même couronne circulaire sont déplaçables axialement en utilisation, de façon à adapter leur décalage vis-à-vis de systèmes d'injection fixes de cette même couronne, aux différents régimes de fonctionnement de la turbomachine générant des oscillations de la combustion. 6. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 5 dans laquelle chaque système d'injection est décalé par rapport à au moins un des systèmes d'injection immédiatement voisin situé sur la même couronne. 7. Chambre de combustion selon la revendication 6 dans laquelle chaque système d'injection est décalé par rapport aux deux systèmes d'injection immédiatement voisins situés sur la même couronne. 8. Chambre de combustion selon la revendication 7 dans laquelle les systèmes d'injection (5) sont alternativement décalés d'une longueur donnée et non décalés, par rapport au fond de chambre (4). 9. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 7 dans laquelle les valeurs du décalage par rapport au fond de chambre (4) des systèmes d'injection situés sur une même couronne sont en nombre supérieur à deux. 10. Turbomachine comportant une chambre de combustion annulaire selon l'une des revendications 1 à 9. |
Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et, plus particulièrement, celui de la combustion dans les chambres de combustion de ces turbomachines.
Une turbomachine comprend classiquement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d'échappement des gaz.
La chambre de combustion est alimentée par de l'air provenant du ou des compresseurs, qui pénètre dans ladite chambre pour participer à la combustion du carburant qui y est injecté.
Le carburant est vaporisé et mélangé à l'air par l'intermédiaire d'un système d'injection qui, à sa sortie, met l'air en rotation dans un mouvement hélicoïdal. Cette rotation est caractérisée par un nombre, dit nombre de swirl, qui a pour valeur le rapport entre la quantité de mouvement tangentielle et la quantité de mouvement axiale de l'air carburé en sortie du système d'injection. Du fait de cette mise en rotation l'air carburé suit un cheminement qui, schématiquement, se résume à un évasement vers l'extérieur avec une partie qui revient vers l'amont au niveau de l'axe central de la chambre de combustion. Cette recirculation permet la stabilisation de la flamme en aval du système d'injection avec un déploiement de celle-ci sous la forme d'une corolle ayant pour axe, l'axe central du système d'injection.
Lorsque des fluctuations apparaissent au niveau de l'air qui entre dans un système d'injection, elles génèrent une augmentation puis une diminution de l'alimentation de l'injecteur, ce qui se traduit au niveau de la flamme par une fluctuation de la quantité de chaleur dégagée. Cette fluctuation de la combustion génère alors des ondes acoustiques qui peuvent se réfléchir sur les parois de la chambre, être entretenues et même constituer un phénomène qui s'amplifie et qui peut devenir dangereux Il convient donc d'éviter les couplages qui pourraient s'installer entre les fluctuations de la combustion et les modes acoustiques de la chambre de combustion et de la cavité qui l'entoure, car de tels phénomènes peuvent donner lieu à des mises en résonance qui influent sur la durée de vie des pièces et qui peuvent même être destructeurs.
Il n'existe pas de solution systématique permettant de résoudre ce problème des instabilités et on ne sait pas toujours éliminer ces modes vibratoires avec certitude. Les techniques habituellement mises en œuvre pour réduire les vibrations acoustiques dans la chambre portent sur des modifications de la géométrie de celle-ci ou sur la mise en place de barrière acoustiques mais elles sont souvent compliquées à mettre en œuvre. Il est donc préférable d'agir directement au niveau de la combustion, pour réduire ses fluctuations et éviter ainsi que des phénomènes vibratoires trop violents n'apparaissent.
On connaît par ailleurs, par les demandes de brevet
FR 2727193 et EP 1288579 de la demanderesse, des configurations particulières des systèmes d'injection dans la chambre, avec deux systèmes d'injection décalés axialement, mais ces dispositifs ont essentiellement pour but de réduire les émissions d'imbrûlés ; ils n'ont pas d'effet particulier connu, sur le niveau des perturbations acoustiques dans la chambre de combustion.
On connaît également les demandes de brevets DE 4336096 et US 6430930 qui divulguent des décalages longitudinaux de leurs systèmes d'injection, dans le but de créer des déphasages dans les oscillations de la combustion et ainsi d'annuler les fluctuations de pression.
Le premier document montre des systèmes d'injection répartis sur deux couronnes circulaires décalées radialement l'une par rapport à l'autre, les brûleurs 2" de la couronne intérieure présentant un raccordement entre leur tube de pré-mélange et le fond de chambre alors que les brûleurs 2' de la couronne extérieure n'en présentent pas.
Le second document montre des brûleurs disposés sur une même couronne circulaire mais qui sont raccordés au fond de chambre par un tube de pré-mélange de longueur variable.
Dans ces deux documents les brûleurs ne sont pas identiques et, de ce fait, la flamme qu'ils génèrent n'est pas la même. Il est alors difficile de modéliser leur fonctionnement et de définir quel doit être le décalage optimum à mettre en place pour annuler les effets des fluctuations de pression.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une chambre de combustion ne présentant pas au moins certains des inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, qui propose une disposition des éléments de cette chambre qui réduise les instabilités de combustion d'une façon simple et facile à mettre en œuvre, à partir de brûleurs, ou systèmes d'injection, géométriquement identiques.
Dans l'ensemble de la description le terme axial se réfère à la direction de l'axe de rotation de la turbomachine.
A cet effet, l'invention a pour objet une chambre de combustion annulaire pour turbomachine comprenant une paroi externe, une paroi interne et une paroi de fond de chambre sur laquelle sont montés le long d'au moins une couronne circulaire des systèmes d'injection identiques entre eux et destinés à mélanger du carburant en provenance d'injecteurs à de l'air provenant d'un compresseur, caractérisée en ce qu'au moins deux systèmes d'injection situés sur une même couronne circulaire sont décalés longitudinalement, selon la direction de l'axe central de la chambre de combustion.
Le décalage longitudinal de ces deux systèmes d'injection provoque un décalage temporel dans les pulsations de la combustion, en réponse à des fluctuations de pression d'entrée, et génère un nivellement au niveau de la somme des quantités de chaleur produites par les deux systèmes d'injection. La combustion dans la chambre est ainsi moins sensible aux éventuelles fluctuations acoustiques se propageant dans l'axe de la chambre. Le fait que les systèmes d'injections sont identiques entre eux garantit une même forme de flamme pour tous les systèmes d'injection, ce qui rend plus accessible la connaissance des phénomènes de combustion. Cela facilite par conséquent le positionnement relatif des systèmes d'injections lors de la mise au point de la chambre, en vue de la suppression des fluctuations de pressions.
Avantageusement les systèmes d'injection comportent, dans le sens axial, une première partie, dite vrille, agencée pour mettre l'air en rotation, et une seconde partie, dite tube de pré-mélange, agencée pour guider le mélange de l'air et dudit carburant vers la chambre de combustion, et au moins certains des tubes de pré-mélange des systèmes d'injection de ladite couronne circulaire font saillie dans la chambre de combustion en traversant son fond de chambre.
De façon préférentielle les tubes de pré-mélange des autres systèmes d'injection de ladite couronne circulaire affleurent le fond de chambre. On retrouve ainsi une configuration connue pour une partie des systèmes d'injection, dont l'environnement par rapport au fond de chambre est alors le même que dans l'art antérieur.
De façon préférentielle le décalage mis en place est égal au produit de la vitesse moyenne du mélange carburé entre la sortie du système d'injection et le point d'accrochage de la flamme produite par ledit système, à un régime générant une oscillation de la combustion, par l'inverse de la fréquence propre d'oscillation de la combustion dans ladite chambre au régime considéré.
On obtient ainsi la simultanéité entre l'arrivée d'un maximum de chaleur sur un système d'injection et l'arrivée d'un minimum de chaleur sur le système d'injection décalé, ce qui conduit à mettre les oscillations de la combustion des deux injecteurs décalés en opposition de phase.
Dans un mode particulier de réalisation au moins certains des systèmes d'injection d'une même couronne circulaire sont déplaçables axialement en utilisation, de façon à adapter leur décalage vis-à-vis des systèmes d'injection fixes de cette même couronne, aux différents régimes de fonctionnement de la turbomachine qui génèrent des oscillations de la combustion. On peut ainsi supprimer toutes les fluctuations de pression lorsqu'on rencontre plusieurs phénomènes de fluctuations de pression sur la plage de régime d'utilisation de la turbomachine.
Avantageusement chaque système d'injection est décalé par rapport à au moins un des systèmes d'injection immédiatement voisin situé sur la même couronne.
De façon préférentielle chaque système d'injection est décalé par rapport aux deux systèmes d'injection immédiatement voisins situés sur la même couronne. De façon encore plus préférentielle les systèmes d'injection sont alternativement décalés d'une longueur donnée et non décalés, par rapport au fond de chambre.
De façon alternative les valeurs du décalage par rapport au fond de chambre des systèmes d'injection situés sur une même couronne sont en nombre supérieur à deux.
L'invention revendique également une turbomachine comportant une chambre de combustion annulaire 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 ou plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés.
Sur ces dessins :
- la figure 1 est une vue en perspective d'une chambre de combustion annulaire pour une turbomachine,
- la figure 2 est une vue schématique, en coupe, d'un système d'injection de la chambre de combustion de la figure 1,
- la figure 3 est un vue schématique du positionnement des injecteurs dans une chambre de combustion selon l'art antérieur,
- la figure 4 est un vue schématique du positionnement des injecteurs dans une chambre de combustion selon un mode de réalisation de l'invention,
- les figures 5 et 6 sont des vues schématiques du fonctionnement des systèmes d'injection d'une turbomachine selon l'art antérieur, respectivement à deux instants consécutifs t et t+Δί, et
- les figures 7 et 8 sont des vues schématiques du fonctionnement des systèmes d'injection d'une turbomachine selon l'invention, respectivement à deux instants consécutifs t et t+Δί.
En se référant à la figure 1 , on voit une chambre de combustion 1 en forme d'anneau, comprise entre deux parois longitudinales, une paroi externe 2 et une paroi interne 3, qui sont reliées en amont par une paroi de fond de chambre 4. Sur cette paroi 4 sont fixés des systèmes d'injection 5 sur lesquels débouchent des injecteurs 6. Les systèmes d'injection 5 et les injecteurs 6 sont répartis de façon uniforme, le long d'une couronne circulaire du fond de chambre.
La figure 2 montre un système d'injection 5, auquel est raccordé un injecteur de carburant 6. Il se divise en deux parties, une première partie, ou vrille 10, dans laquelle est injecté de l'air 11 destiné à la combustion. Cet air est mis en rotation dans le but de favoriser son mélange avec le carburant qui est pulvérisé à l'extrémité de l'injecteur de carburant 6, grâce à la vrille 10 dont les canaux d'injection de l'air 11 ne sont pas orientés en direction de l'axe de symétrie du système d'injection. Une deuxième partie, ou tube de pré-mélange 12, prolonge la vrille, à l'aval, pour assurer le bon mélange de l'air et du carburant et le guidage du mélange obtenu, avant son inflammation dans la chambre de combustion. Sur cette figure le tube de pré-mélange apparaît non décalé, c'est-à-dire que l'extrémité du tube de pré-mélange 12 est positionnée, axialement, au même niveau que la paroi de fond de chambre 4.
La figure 3 représente la même chambre, de façon schématique, dans une version conforme à l'art antérieur. Dans cette version tous les systèmes d'injection 5 sont géométriquement identiques et fixés de la même façon sur le fond de chambre 4 ; les tubes de pré- mélange 12 affleurent le fond de chambre 4, et se trouvent de ce fait dans un même plan radial.
Par comparaison la figure 4 montre une chambre selon l'invention, dans laquelle les systèmes d'injection 5 sont décalés axialement, à raison d'un système d'injection sur deux. Les tubes de pré- mélange 12 de ces deux systèmes d'injection se retrouvent ainsi dans deux plans radiaux, décalés axialement l'un par rapport à l'autre d'une longueur "d". Individuellement, chaque système d'injection se retrouve décalé de cette même longueur d par rapport à ses deux systèmes d'injection immédiatement voisins. Dans un mode de réalisation les tubes de pré-mélange des systèmes d'injection non décalés affleurent le fond de la chambre de combustion 4, comme indiqué sur la figure 2, alors que les tubes de pré-mélange des systèmes d'injection décalés pénètrent légèrement à l'intérieur de la chambre de combustion en traversant son fond de chambre.
En se référant maintenant aux figures 5 et 6, on voit le fonctionnement d'une chambre de combustion de l'art antérieur, en réponse à une perturbation de pression p' sur la pression de l'air admis dans la chambre, à des instants respectivement t et t+Δί. Ces instants correspondent respectivement à un maximum q' max et à un minimum q' min de quantité de chaleur fournie par la combustion du mélange. L'écoulement en sortie des systèmes d'injection 5 est représenté sur ces figures avec un cheminement en hélice. Sur les deux figures on note que la quantité de chaleur fournie q' est maximale sur les deux systèmes d'injection 5 au temps t et minimale sur les deux systèmes au temps t+Δί.
A contrario sur les figures 7 et 8, qui représentent le fonctionnement d'une chambre selon l'invention en réponse à une même perturbation p' de la pression d'entrée, la quantité de chaleur fournie par deux systèmes d'injection consécutifs est différente. Sur la figure 7, à l'instant t la quantité de chaleur fournie par le système d'injection avancé est maximale alors que celle fournie par le système d'injection voisin est minimale. Sur la figure 8, à l'instant t+Δί, c'est le système d'injection avancé qui fournit la quantité de chaleur minimale alors que le système voisin fournit la quantité de chaleur maximale. Au bout du compte le total de la quantité de chaleur fournie par les deux systèmes d'injection reste quasiment stable, la forte quantité de chaleur fournie par le système d'injection avancé étant compensée par une plus faible quantité fournie par le système d'injection immédiatement voisin.
On va maintenant expliquer, en se référant essentiellement aux figures 5 à 8, le principe de l'atténuation des vibrations dans une chambre de combustion selon l'invention.
Ce principe, qui est adapté aux modes de vibrations longitudinales, repose sur la création d'un déphasage dans le temps, des fluctuations portant sur la forme de la flamme. Auparavant, tous les systèmes d'injection étant placés à la même position longitudinale sur le moteur, toutes les flammes étaient amenées à osciller en phase, conduisant ainsi à l'apparition d'instabilités de combustion caractérisées par des battements synchrones de leur nombre de swirl et de l'ouverture de leurs corolles.
A contrario, dans l'invention, on crée un déphasage temporel dans ces perturbations par l'introduction d'un décalage sur la position longitudinale des systèmes d'injection par rapport aux systèmes d'injection qui leur sont immédiatement voisins. Le parcours effectué par le mélange carburé étant dès lors différent pour les deux systèmes d'injection l'effet de la variation de pression se fait sentir au niveau de la flamme à des instants différents, ce qui génère le décalage temporel recherché. Et en adaptant correctement ce décalage longitudinal on crée des déphasages temporels entre les perturbations qui les conduisent à se compenser les unes les aux autres. Lorsqu'au niveau d'un système d'injection la quantité de chaleur est maximale, celle qui est issue du système d'injection voisin est minimale, et réciproquement. La quantité de chaleur fournie par les deux systèmes d'injection reste alors sensiblement constante, ou en tout état de cause, fluctue avec des amplitudes nettement réduites, ce qui est le but recherché.
Le décalage à mettre en place est relié au temps de parcours moyen du fluide et de l'onde acoustique entre son point d'entrée du système d'injection et le point d'accrochage de la flamme. Ce temps de parcours et la vitesse moyenne sur le tronçon considéré sont couramment accessibles par une simulation numérique des écoulements turbulents, qui peut s'effectuer classiquement avec un code du type LES (Large eddy simulation, ou Simulation des grandes échelles). Lorsqu'on détecte un régime vibratoire associé à la combustion pour un régime moteur donné, la vitesse moyenne sur le parcours étant alors connue, le décalage longitudinal à mettre préférentiellement en place est obtenu en multipliant cette vitesse par l'inverse de la fréquence d'oscillation du mode acoustique dont on veut éliminer les effets. La mise en place de ce décalage entre les systèmes d'injection conduit ainsi à mettre les oscillations de la combustion des deux systèmes d'injection décalés en opposition de phase pour la fréquence d'oscillation considérée.
Si l'on détecte des oscillations de combustion qui se mettent en place pour plusieurs régimes de fonctionnement de la turbomachine, il est envisageable de prévoir un décalage des systèmes d'injection qui soit ajustable en fonction du régime moteur. Il suffit alors de mettre une partie des systèmes d'injection d'une même couronne circulaire sur une platine déplaçable axialement, et de moduler la position de celle-ci en fonction du régime moteur.
L'invention a été décrite en décalant un système d'injection sur deux de la même distance. Il est bien évident que cette disposition est purement indicative et que d'autres configurations peuvent être envisagées, comme par exemple des décalages variables sur la circonférence, pour prendre en compte plusieurs fréquences d'oscillation, ou encore des regroupements de plusieurs systèmes d'injection par secteurs angulaires, pour autant qu'en résulte une compensation temporelle des fluctuations acoustiques de la combustion.
Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.