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EP1593913B1 - Chambre de combustion annulaire de turbomachine à bride interne de fixation améliorée - Google Patents

Chambre de combustion annulaire de turbomachine à bride interne de fixation améliorée Download PDF

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Publication number
EP1593913B1
EP1593913B1 EP05290623.7A EP05290623A EP1593913B1 EP 1593913 B1 EP1593913 B1 EP 1593913B1 EP 05290623 A EP05290623 A EP 05290623A EP 1593913 B1 EP1593913 B1 EP 1593913B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
chamber
holes
turbomachine
air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP05290623.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1593913A1 (fr
Inventor
Martine Bes
Didier Hernandez
Gilles Lepretre
Denis Trahot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SNECMA SAS filed Critical SNECMA SAS
Publication of EP1593913A1 publication Critical patent/EP1593913A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1593913B1 publication Critical patent/EP1593913B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/50—Combustion chambers comprising an annular flame tube within an annular casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/60—Support structures; Attaching or mounting means

Definitions

  • the present invention relates to the general field of turbomachine combustion chambers. It is particularly interested in the problem posed by the fixing of a turbomachine annular combustion chamber on the casing of the turbomachine.
  • the annular combustion chamber of a turbomachine is formed of inner and outer annular walls connected by a transverse wall forming chamber bottom.
  • the chamber bottom is provided with a plurality of openings in which fuel injectors are mounted.
  • the inner and outer walls of the combustion chamber are generally extended by internal and external, also annular, flanges which are intended to be respectively fixed on inner and outer casings of the casing of the turbomachine. These flanges have the function of maintaining in position the combustion chamber in the casing of the turbomachine.
  • Part of this air is also intended to supply a cooling circuit of the high-pressure turbine of the turbomachine which is disposed downstream of the combustion chamber.
  • a cooling circuit of the high-pressure turbine of the turbomachine which is disposed downstream of the combustion chamber.
  • the internal fixing flange of the combustion chamber is typically pierced with a plurality of holes which allow the passage of compressor air to a cooling circuit of the high-pressure turbine. These holes are usually regularly distributed in a row around the entire circumference of the internal flange.
  • the inner casing of the casing of the turbomachine is also pierced with a plurality of orifices which open into the annular space defined between the inner casing and the internal fixing flange of the chamber and which open towards the circuit of cooling of the high-pressure turbine.
  • the combustion frequencies of the air / fuel mixture in the chamber cause vibrations at the walls of the chamber that propagate to the clamps.
  • the mounting flanges must therefore be sufficiently flexible to dampen these vibrations, but also sufficiently rigid to play their role of maintaining the combustion chamber in position in the housing.
  • the present invention therefore aims to overcome such drawbacks by providing a combustion chamber which has a better mechanical resistance to vibrations generated by the combustion of the air / fuel mixture.
  • annular turbomachine combustion chamber comprising inner and outer annular walls joined by a transverse wall, the inner and outer walls extending at their downstream end by internal and external fixing flanges intended to be respectively fixed on internal and external casings of a casing of the turbomachine for the maintenance in position of the combustion chamber, the inner flange being provided with a plurality of holes for supplying cooling air to a high-pressure turbine of the turbomachine, characterized in that the air supply holes of the internal flange are distributed circumferentially in at least two rows arranged in staggered rows.
  • the particular distribution of the holes of the internal flange on at least two rows arranged staggered has the effect of "breaking" the harmonic vibrations generated by the combustion of the air / fuel mixture. This distribution thus makes it possible to avoid any vibrational resonance, and thus to limit the risks of breaking the internal fixing flange of the chamber.
  • the air supply holes of the inner flange are offset radially relative to the air supply bores made through the inner wall.
  • the radial offset between the holes of the internal flange and the holes in the internal wall of the combustion chamber thus makes it possible to avoid direct radiation of the combustion gases to the inner casing of the casing, which radiation is particularly detrimental to the duration of life of it.
  • the air supply holes of the inner flange are radially offset relative to orifices provided on the inner casing of the casing.
  • this radial offset makes it possible to avoid any direct radiation of the combustion gases from the chamber to the cooling circuit of the high-pressure turbine.
  • the figure 1 illustrates a turbomachine combustion chamber according to the invention.
  • the turbomachine comprises a compression section (not shown) in which air is compressed before being injected into a chamber housing 2, then into a combustion chamber 4 mounted inside thereof.
  • Compressed air is introduced into the combustion chamber and mixed with fuel before being burned.
  • the gases resulting from this combustion are then directed to a high-pressure turbine 6 disposed at the outlet of the combustion chamber 4.
  • the combustion chamber 4 which is of annular type, is formed of an inner annular wall 4a and an outer annular wall 4b which are joined by a transverse wall 4c forming chamber bottom.
  • the inner walls 4a and outer 4b extend along a longitudinal axis X-X slightly inclined relative to the longitudinal axis Y-Y of the turbomachine.
  • the chamber bottom 4c is provided with a plurality of openings 8 in which fuel injectors 10 are mounted.
  • the chamber casing 2 which is formed of an inner casing 2a and an outer casing 2b, furnishes with the combustion chamber 4 an annular space 12 into which compressed air intended for combustion, at the dilution, is admitted. and cooling the chamber.
  • the chamber 4 is divided into a primary zone (or combustion zone) and a secondary zone (or dilution zone) located downstream of the previous one.
  • the air that feeds the primary and secondary zones of the combustion chamber 4 is introduced by one or more rows of holes 14, 16 made respectively in the inner walls 4a and outer 4b of the chamber.
  • the inner and outer walls 4a and 4b of the chamber 4 extend, at their downstream end, respectively by internal and external annular flanges 18 or tongues 18.
  • inner and outer flanges 18 and 18 are intended to be fastened respectively to the inner casings 2a and outer casings 2b of the chamber casing 2 by means of respective bolted connections 22, 24. Their function is to hold the combustion chamber in position. 4 in the chamber housing 2.
  • Compressed air circulating in the annular space 12 is also intended to supply a cooling circuit of the high-pressure turbine 6 of the turbomachine.
  • the internal flange 18 for holding the combustion chamber 4 is provided with air supply holes 26. These holes 26 allow the circulation of air in the annular space 12 downstream of the internal flange 18 .
  • the inner casing 2a of the chamber casing 2 is pierced by air supply orifices 28, for example distributed in a single row, which open into the annular space 12 downstream of the internal flange 18. and open out of the chamber housing 2, to an air injector 30.
  • This air injector 30 is intended to cool the high-pressure turbine 6 of the turbomachine.
  • the air supply holes 26 of the inner flange 18 are distributed circumferentially on at least two rows 26a, 26b arranged in staggered rows.
  • Staggered rows means that the holes in one of the rows 26a, 26b are not aligned with the holes in the other row along the longitudinal axis X-X of the combustion chamber 4.
  • Such an arrangement of the holes according to two rows arranged in a staggered manner makes it possible to "break" the harmonic of the vibrations generated. by the combustion of the air / fuel mixture in the chamber, and thus to prevent the internal flange from breaking under the effect of its vibrations.
  • the air supply holes 26 of the combustion chamber have a circular section. It is possible, however, to envisage another form of section, for example oblong.
  • the holes 26 of the inner flange 18 are distributed in two staggered rows, their individual section can be reduced compared to a conventional arrangement in a single row so as to keep the same general air flow supplying the air. In this way, the distance separating two adjacent holes is increased, which further reduces the possible risks of breaking the internal flange at this point.
  • the air supply holes 26 of the inner flange 18 are radially offset relative to the air supply bores 14 of the inner wall 4a of the combustion chamber 4.
  • the air supply holes 26 of the inner flange 18 are offset radially with respect to the orifices 28 of the inner casing 2a of the chamber casing 2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

    Arrière-plan de l'invention
  • La présente invention se rapporte au domaine général des chambres de combustion de turbomachine. Elle s'intéresse plus particulièrement au problème posé par la fixation d'une chambre de combustion annulaire de turbomachine sur le carter de la turbomachine.
  • Classiquement, la chambre de combustion annulaire d'une turbomachine est formée de parois annulaires interne et externe reliées par une paroi transversale formant fond de chambre. Le fond de chambre est pourvu d'une pluralité d'ouvertures dans lequel sont montés des injecteurs de carburant.
  • A leur extrémité aval, les parois interne et externe de la chambre de combustion se prolongent généralement par des brides interne et externe, également annulaires, qui sont destinées à être fixées respectivement sur des enveloppes interne et externe du carter de la turbomachine. Ces brides ont pour fonction de maintenir en position la chambre de combustion dans le carter de la turbomachine.
  • De l'air provenant d'un étage de compresseur de la turbomachine disposé en amont de la chambre de combustion circule entre les enveloppes du carter et les parois annulaires de la chambre. Cet air, qui est introduit dans la chambre notamment par des perçages pratiqués au travers des parois de la chambre, participe à la combustion du mélange air/carburant.
  • Une partie de cet air est par ailleurs destiné à alimenter un circuit de refroidissement de la turbine haute-pression de la turbomachine qui est disposée en aval de la chambre de combustion. On se référera par exemple à la publication FR 2 841 591 .
  • Dans ce but, la bride interne de fixation de la chambre de combustion est typiquement percée d'une pluralité de trous qui permettent le passage de l'air de compresseur vers un circuit de refroidissement de la turbine haute-pression. Ces trous sont généralement régulièrement répartis sur une rangée sur toute la circonférence de la bride interne.
  • L'enveloppe interne du carter de la turbomachine est également percée d'une pluralité d'orifices qui s'ouvrent dans l'espace annulaire défini entre l'enveloppe interne et la bride interne de fixation de la chambre et qui débouchent vers le circuit de refroidissement de la turbine haute-pression.
  • Le perçage de trous d'alimentation en air sur la bride interne de fixation de la chambre de combustion pose des problèmes de résistance mécanique aux vibrations engendrées par la combustion du mélange air/carburant dans la chambre.
  • En effet, les fréquences de combustion du mélange air/carburant dans la chambre provoquent des vibrations au niveau des parois de la chambre qui se propagent jusqu'aux brides de fixation. Les brides de fixation doivent donc être suffisamment souples pour amortir ces vibrations, mais aussi suffisamment rigides pour jouer leur rôle de maintien en position de la chambre de combustion dans le carter.
  • Or, la présence de trous sur la bride interne de fixation fragilise la résistance mécanique de la bride aux vibrations. Les vibrations au niveau des parois de la chambre, associées à une répartition régulière de des trous de la bride interne, provoquent un phénomène de résonance vibratoire qui entraîne un risque de cassure de la bride interne, notamment entre deux trous adjacents.
    • Objet et résumé de l'invention
  • La présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients en proposant une chambre de combustion qui possède une meilleure tenue mécanique aux vibrations engendrées par la combustion du mélange air/carburant.
  • A cet effet, il est prévu une chambre de combustion annulaire de turbomachine, comportant des parois annulaires interne et externe réunies par une paroi transversale, les parois interne et externe se prolongeant à leur extrémité aval par des brides de fixation interne et externe destinées à être fixées respectivement sur des enveloppes interne et externe d'un carter de la turbomachine pour le maintien en position de la chambre de combustion, la bride interne étant munie d'une pluralité de trous destinés à alimenter en air de refroidissement une turbine haute-pression de la turbomachine, caractérisée en ce que les trous d'alimentation en air de la bride interne sont répartis circonférentiellement sur au moins deux rangées disposées en quinconce.
  • La répartition particulière des trous de la bride interne sur au moins deux rangées disposées en quinconce a pour effet de « casser » l'harmonique des vibrations engendrées par la combustion du mélange air/carburant. Cette répartition permet ainsi d'éviter toute résonance vibratoire, et donc de limiter les risques de cassure de la bride interne de fixation de la chambre.
  • Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les trous d'alimentation en air de la bride interne sont décalés radialement par rapport à des perçages d'alimentation en air pratiqués au travers de la paroi interne.
  • Le décalage radial entre les trous de la bride interne et les perçages de la paroi interne de la chambre de combustion permet ainsi d'éviter un rayonnement direct des gaz de combustion vers l'enveloppe interne du carter, rayonnement qui est particulièrement préjudiciable à la durée de vie de celle-ci.
  • Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les trous d'alimentation en air de la bride interne sont décalés radialement par rapport à des orifices pratiqués sur l'enveloppe interne du carter.
  • Pour la même raison que précédemment, ce décalage radial permet d'éviter tout rayonnement direct des gaz de combustion depuis la chambre vers le circuit de refroidissement de la turbine haute-pression.
    • Brève description des dessins
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
    • la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une chambre de combustion dans son environnement selon un mode de réalisation de l'invention;
    • la figure 2 est une vue partielle en perspective et en écorché de la figure 1 ; et
    • la figure 3 est une vue en développé montrant la répartition des trous de la bride interne de la chambre de combustion selon l'invention.
    Description détaillée d'un mode de réalisation
  • La figure 1 illustre une chambre de combustion de turbomachine conforme à l'invention.
  • La turbomachine comporte une section de compression (non représentée) dans laquelle de l'air est comprimé avant d'être injecté dans un carter de chambre 2, puis dans une chambre de combustion 4 montée à l'intérieur de celui-ci.
  • L'air comprimé est introduit dans la chambre de combustion et mélangé à du carburant avant d'y être brûlé. Les gaz issus de cette combustion sont alors dirigés vers une turbine haute-pression 6 disposée en sortie de la chambre de combustion 4.
  • La chambre de combustion 4, qui est de type annulaire, est formée d'une paroi annulaire interne 4a et d'une paroi annulaire externe 4b qui sont réunies par une paroi transversale 4c formant fond de chambre.
  • Les parois interne 4a et externe 4b s'étendent selon un axe longitudinal X-X légèrement incliné par rapport à l'axe longitudinal Y-Y de la turbomachine. Le fond de chambre 4c est pourvu d'une pluralité d'ouvertures 8 dans lequel sont montés des injecteurs de carburant 10.
  • Le carter de chambre 2, qui est formé d'une enveloppe interne 2a et d'une enveloppe externe 2b, ménage avec la chambre de combustion 4 un espace annulaire 12 dans lequel est admis l'air comprimé destiné à la combustion, à la dilution et au refroidissement de la chambre. La chambre 4 se divise en une zone primaire (ou zone de combustion) et une zone secondaire (ou zone de dilution) située en aval de la précédente.
  • L'air qui alimente les zones primaire et secondaire de la chambre de combustion 4 est introduit par une ou plusieurs rangées de perçages 14, 16 pratiqués respectivement dans les parois interne 4a et externe 4b de la chambre.
  • Les parois interne 4a et externe 4b de la chambre 4 se prolongent, à leur extrémité aval, respectivement par des brides (ou languettes) annulaires interne 18 et externe 20.
  • Ces brides interne 18 et externe 20 sont destinés à être fixées respectivement sur les enveloppes interne 2a et externe 2b du carter de chambre 2 par l'intermédiaire de liaisons boulonnées respectives 22, 24. Elles ont pour fonction de maintenir en position la chambre de combustion 4 dans le carter de chambre 2.
  • L'air comprimé circulant dans l'espace annulaire 12 est également destiné à un alimenter un circuit de refroidissement de la turbine haute-pression 6 de la turbomachine.
  • A cet effet, la bride interne 18 de maintien de la chambre de combustion 4 est munie de trous d'alimentation en air 26. Ces trous 26 permettent la circulation de l'air dans l'espace annulaire 12 en aval de la bride interne 18.
  • De même, l'enveloppe interne 2a du carter de chambre 2 est percée par des orifices d'alimentation en air 28, par exemple répartis sur une seule rangée, qui s'ouvrent dans l'espace annulaire 12 en aval de la bride interne 18 et débouchent à l'extérieur du carter de chambre 2, vers un injecteur d'air 30. Cet injecteur d'air 30 est destiné à refroidir la turbine haute-pression 6 de la turbomachine.
  • Selon l'invention, les trous d'alimentation en air 26 de la bride interne 18 sont répartis circonférentiellement sur au moins deux rangées 26a, 26b disposées en quinconce.
  • Cette répartition est notamment représentée sur les figures 2 et 3. Sur cette figure, les deux rangées 26a, 26b de trous d'alimentation en air de la bride interne 18 sont bien disposées en quinconce.
  • Par rangées disposées en quinconce, on entend que les trous de l'une des rangées 26a, 26b ne sont pas alignés avec les trous de l'autre rangée selon l'axe longitudinal X-X de la chambre de combustion 4.
  • Une telle disposition des trous selon deux rangées disposées en quinconce permet de « casser » l'harmonique des vibrations engendrées par la combustion du mélange air/carburant dans la chambre, et ainsi d'éviter que la bride interne ne se casse sous l'effet de ses vibrations.
  • Sur les figures 2 et 3, les trous d'alimentation en air 26 de la chambre de combustion ont une section circulaire. Il est toutefois possible d'envisager une autre forme de section, par exemple oblong.
  • On notera également que comme les trous 26 de la bride interne 18 sont répartis sur deux rangées en quinconce, leur section individuelle peut être réduite par rapport à une disposition classique en une seule rangée de façon à garder le même débit d'air général alimentant l'injecteur d'air 30. Ainsi, la distance séparant deux trous adjacents est augmentée, ce qui réduit encore les risques possibles de cassure de la bride interne à cet endroit.
  • Selon une caractéristique avantageuse de l'invention illustrée sur la figure 3, les trous d'alimentation en air 26 de la bride interne 18 sont décalés radialement par rapport aux perçages d'alimentation en air 14 de la paroi interne 4a de la chambre de combustion 4.
  • Comme les trous 26 de la bride interne 18 ne sont pas alignés avec les perçages 14 de la paroi interne 4a, il est ainsi possible d'éviter que les gaz issus de la combustion du mélange air/carburant dans la chambre 4 ne rayonnent directement vers l'enveloppe interne 2a du carter de chambre 2 avec le risque de l'endommager.
  • Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention également illustrée sur la figure 3, les trous d'alimentation en air 26 de la bride interne 18 sont décalés radialement par rapport aux orifices 28 de l'enveloppe interne 2a du carter de chambre 2.
  • Ainsi, il est également possible d'éviter un rayonnement direct des gaz de combustion depuis la chambre de combustion 4 vers l'injecteur d'air 30 qui est destiné à assurer le refroidissement de la turbine haute-pression 6. De la sorte, l'efficacité du refroidissement de la turbine haute-pression n'est pas détériorée par la présence des trous d'alimentation en air 26 de la bride interne 18.
  • On notera que ce décalage entre les trous d'alimentation en air 26 de la bride interne 18 et les orifices 28 de l'enveloppe interne 2a peut être combiné au décalage avantageux entre ces mêmes trous 26 de la bride interne et les perçages 14 de la paroi interne 4a de la chambre de combustion 4.

Claims (4)

  1. Chambre de combustion annulaire (4) de turbomachine, comportant des parois annulaires interne (4a) et externe (4b) réunies par une paroi transversale (4c), les parois interne et externe se prolongeant à leur extrémité aval par des brides de fixation interne (18) et externe (20) destinées à être fixées respectivement sur des enveloppes interne (2a) et externe (2b) d'un carter (2) de la turbomachine pour le maintien en position de la chambre de combustion, la bride interne (18) étant munie d'une pluralité de trous (26) destinés à alimenter en air de refroidissement une turbine haute-pression (6) de la turbomachine, caractérisée en ce que les trous d'alimentation en air (26) de la bride interne (18) sont répartis circonférentiellement sur au moins deux rangées (26a, 26b) disposées en quinconce.
  2. Chambre selon la revendication 1, dans laquelle les parois interne (4a) et externe (4b) sont munies d'une pluralité de perçages d'alimentation en air (14, 16) de la chambre, caractérisée en ce que les trous d'alimentation en air (26) de la bride interne (18) sont décalés radialement par rapport aux perçages d'alimentation en air (14) de la paroi interne (4a).
  3. Chambre selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle l'enveloppe interne (2a) du carter (2) de la turbomachine est munie d'une pluralité d'orifices (28), caractérisée en ce que les trous d'alimentation en air (26) de la bride interne (18) sont décalés radialement par rapport aux orifices (28) de l'enveloppe interne (2a) du carter (2).
  4. Turbomachine comportant une chambre de combustion (4) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.
EP05290623.7A 2004-04-15 2005-03-22 Chambre de combustion annulaire de turbomachine à bride interne de fixation améliorée Expired - Lifetime EP1593913B1 (fr)

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