FR2945589A1

FR2945589A1 - DIFFUSER.

Info

Publication number: FR2945589A1
Application number: FR0902335A
Authority: FR
Inventors: Florian Andre Francois Bessagnet; Jerome Cameau
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2010-11-19
Anticipated expiration: 2029-05-14
Also published as: FR2945589B1; WO2010130959A1

Abstract

Le diffuseur selon l'invention comporte des viroles annulaires intérieure (102) et extérieure (101) et des bras (104) reliant lesdites viroles et inclinés de manière que l'axe de chaque bras (105) forme un angle α non nul avec un axe radial R passant par un point du bras. L'orientation de chaque bras est choisie pour engendrer un couple C1 dans la virole intérieure (102) de sens contraire à un couple C2 engendré par un distributeur (2) de turbine haute-pression relié au diffuseur par l'intermédiaire d'un carter intérieur de turbine (6).The diffuser according to the invention comprises inner (102) and outer (101) annular ferrules and arms (104) connecting said ferrules and inclined so that the axis of each arm (105) forms a non-zero angle α with a radial axis R passing through a point of the arm. The orientation of each arm is chosen to generate a torque C1 in the inner ferrule (102) opposite to a torque C2 generated by a distributor (2) of high-pressure turbine connected to the diffuser via a housing turbine interior (6).

Description

DIFFUSEUR DIFFUSER

La présente invention concerne un diffuseur pour une turbomachine telle notamment qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'aéronef. Une turbomachine est en général constituée d'un ensemble de trois modules : un module compresseur, un module chambre de combustion et un module turbine. Le module compresseur permet de comprimer un flux d'air de l'amont vers l'aval de la turbomachine. En sortie de compresseur, le flux d'air est injecté dans la chambre de combustion par l'intermédiaire d'un diffuseur. Enfin, le flux de gaz sortant de la chambre de combustion traverse la turbine de l'amont vers l'aval de la turbomachine. La turbine comporte des roues à aubes qui transforment la pression du flux de gaz traversant la turbine en énergie mécanique permettant d'entraîner le compresseur. Le diffuseur est un élément en général monobloc, qui remplit deux fonctions distinctes : il assure, d'une part, le redressement du flux d'air comprimé provenant du compresseur et, d'autre part, la diffusion du flux d'air comprimé dans la chambre de combustion. The present invention relates to a diffuser for a turbomachine such as an aircraft turbojet or turboprop engine. A turbomachine generally consists of a set of three modules: a compressor module, a combustion chamber module and a turbine module. The compressor module compresses an air flow from upstream to downstream of the turbomachine. At the outlet of the compressor, the air flow is injected into the combustion chamber via a diffuser. Finally, the flow of gas exiting the combustion chamber passes through the turbine from upstream to downstream of the turbomachine. The turbine comprises paddle wheels which transform the pressure of the gas flow passing through the turbine into mechanical energy for driving the compressor. The diffuser is a generally monobloc element, which fulfills two distinct functions: it ensures, on the one hand, the recovery of the compressed air flow coming from the compressor and, on the other hand, the diffusion of the compressed air flow in the combustion chamber.

Le redressement du flux d'air est assuré par des aubes disposées et orientées de manière à transformer la vitesse tangentielle du flux d'air comprimé en vitesse axiale. Les extrémités des aubes sont délimitées par une virole intérieure et une virole extérieure formant des cônes divergents de l'amont vers l'aval. La diffusion du flux d'air comprimé dans la chambre de combustion est assurée par la forme divergente du diffuseur. Pour simplifier la réalisation des carters diffuseurs, il est connu de réaliser d'une part un redresseur remplissant la fonction de redressement du flux et d'autre part un diffuseur remplissant la fonction de diffusion du flux d'air. Dans ce dernier cas, la fonction de redressement du flux étant reportée sur un autre élément, les aubes du diffuseur sont remplacées par des bras radiaux. Or, en fonctionnement, ces bras radiaux se dilatent et déforment les viroles intérieure et extérieure, conduisant à une dégradation rapide du diffuseur, en raison de concentrations de contraintes dans les zones de raccordement des bras radiaux aux viroles annulaires du diffuseur. En sortie de chambre de combustion, le flux de gaz est orienté par un distributeur qui à l'inverse des redresseurs, convertit la vitesse axiale du flux d'air en vitesse tangentielle afin d'entraîner les aubes de turbine. Le flux de gaz exerce sur le distributeur un effort qui se traduit par un couple mécanique de rotation transmis au diffuseur par un carter intérieur de turbine qui relie la chambre de combustion, le diffuseur et le distributeur. Ce couple de rotation peut entraîner une déformation du carter intérieur de turbine. Pour supporter ce couple, il est connu d'augmenter la rigidité du carter intérieur de turbine, ce qui présente l'inconvénient d'augmenter la masse de la turbomachine. La présente invention a pour objet un diffuseur permettant de diminuer les contraintes mécaniques engendrées par les bras radiaux en fonctionnement et de supporter les efforts engendrés par le distributeur sans augmenter la masse du carter intérieur. The airflow is straightened by blades arranged and oriented so as to transform the tangential speed of the compressed air flow into axial speed. The ends of the blades are delimited by an inner ferrule and an outer ferrule forming diverging cones from upstream to downstream. The diffusion of the flow of compressed air into the combustion chamber is ensured by the divergent shape of the diffuser. To simplify the production of the diffuser housings, it is known to provide firstly a rectifier filling the function of rectifying the flow and secondly a diffuser fulfilling the function of diffusion of the air flow. In the latter case, the function of rectifying the flow being transferred to another element, the vanes of the diffuser are replaced by radial arms. However, in operation, these radial arms expand and deform the inner and outer rings, leading to rapid degradation of the diffuser, due to stress concentrations in the connection areas of the radial arms to the annular rings of the diffuser. At the outlet of the combustion chamber, the flow of gas is directed by a distributor which, unlike the rectifiers, converts the axial speed of the air flow into a tangential speed in order to drive the turbine blades. The flow of gas exerts on the distributor a force which results in a mechanical torque of rotation transmitted to the diffuser by an inner casing of turbine which connects the combustion chamber, the diffuser and the distributor. This torque can cause deformation of the inner turbine casing. To support this torque, it is known to increase the rigidity of the inner casing turbine, which has the disadvantage of increasing the mass of the turbomachine. The present invention relates to a diffuser for reducing the mechanical stresses generated by the radial arms in operation and to withstand the forces generated by the distributor without increasing the mass of the inner housing.

Pour cela, elle propose un diffuseur d'alimentation en air d'une chambre de combustion de turbomachine qui comporte des viroles annulaires intérieure et extérieure et une pluralité de bras reliant lesdites viroles annulaires, caractérisé en ce que l'axe de chaque bras forme un angle non nul avec un axe radial passant par un point du bras. For this purpose, it proposes an air supply diffuser of a turbomachine combustion chamber which comprises inner and outer ring ferrules and a plurality of arms connecting said annular rings, characterized in that the axis of each arm forms a non-zero angle with a radial axis passing through a point of the arm.

Les bras inclinés du diffuseur selon l'invention ne travaillent plus seulement en traction mais aussi en flexion, d'où il résulte une souplesse en rotation qui permet de mieux absorber les différences de dilatation entre les bras et les viroles. Les zones de raccordement des bras aux viroles subissent moins de contraintes, ce qui augmente notablement leur durée de vie. The inclined arms of the diffuser according to the invention no longer work only in tension but also in flexion, which results in a rotational flexibility which makes it possible to better absorb the differences in expansion between the arms and the ferrules. The connection areas of the arms to the ferrules undergo less stress, which significantly increases their service life.

Les contraintes résiduelles dans ces zones à la fabrication par fonderie sont également réduites. Enfin, l'inclinaison de ces bras par rapport à des axes radiaux ne se traduit pas par une augmentation du prix de revient du diffuseur. Residual stresses in these areas at the foundry fabrication are also reduced. Finally, the inclination of these arms relative to radial axes does not translate into an increase in the cost price of the diffuser.

L'invention propose également à une turbomachine équipée d'un tel diffuseur. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif et en référence aux figures annexées qui représentent respectivement : • la figure 1, une vue schématique en coupe axiale d'un exemple de turbomachine selon l'art antérieur, • la figure 2, une vue partielle en coupe axiale d'une turbomachine selon l'invention, • la figure 3 une vue isométrique complète et en détail d'un diffuseur selon l'invention ; et • la figure 4 une vue schématique partielle en perspective d'un ensemble diffuseur et distributeur selon l'invention. La figure 1 illustre un exemple de turbomachine intégrée dans une nacelle extérieure 201 et qui comporte d'amont en aval : une entrée d'air 208, une soufflante 202 comportant une pluralité d'aubes montées sur un premier disque de rotor, un compresseur basse pression 203 comportant au moins un rotor aubagé et un stator, un compresseur haute pression 204 comportant au moins un rotor aubagé et un stator, une chambre de combustion 205, une turbine haute pression 206 comportant au moins un rotor aubagé et un stator, une turbine basse pression 207 comportant au moins un rotor aubagé et un stator. L'axe X constitue l'axe de rotation de la turbomachine. Dans l'exemple représenté, l'air extérieur entre par l'entrée d'air 208 et traverse les aubes de soufflante 202. En sortie des aubes de soufflante, le flux d'air est séparé en deux flux, comprenant un premier flux ou flux primaire Fp, dirigé vers l'entrée du compresseur basse pression 203 et un deuxième flux ou flux secondaire Fs, dirigé vers l'arrière de la turbomachine. Le compresseur basse pression 203 comprime une première fois le flux d'air primaire Fp puis le dirige vers le compresseur haute pression 204. Ce dernier comprime une deuxième fois le flux primaire Fp pour alimenter la chambre de combustion 205. Une partie du flux primaire Fp traversant le compresseur haute pression est prélevée pour les besoins en air de la turbomachine mais également pour les besoins en air comprimé de l'aéronef. The invention also proposes a turbomachine equipped with such a diffuser. The invention will be better understood and its advantages will appear more clearly on reading the detailed description which follows, given by way of nonlimiting example and with reference to the appended figures which respectively represent: FIG. 1, a diagrammatic sectional view 1, a partial view in axial section of a turbomachine according to the invention, FIG. 3 is a complete and detailed isometric view of a diffuser according to FIG. invention; and FIG. 4 is a partial schematic perspective view of a diffuser and distributor assembly according to the invention. FIG. 1 illustrates an example of a turbine engine integrated in an outdoor nacelle 201 and which comprises from upstream to downstream: an air inlet 208, a fan 202 comprising a plurality of vanes mounted on a first rotor disc, a low compressor pressure 203 comprising at least one bladed rotor and a stator, a high-pressure compressor 204 comprising at least one bladed rotor and a stator, a combustion chamber 205, a high-pressure turbine 206 comprising at least one bladed rotor and a stator, a turbine low pressure 207 comprising at least one bladed rotor and a stator. The X axis is the axis of rotation of the turbomachine. In the example shown, the outside air enters through the air inlet 208 and passes through the fan blades 202. At the outlet of the fan blades, the air flow is separated into two streams, comprising a first flow or primary flow Fp, directed to the inlet of the low-pressure compressor 203 and a second flow or secondary flow Fs, directed towards the rear of the turbomachine. The low-pressure compressor 203 first compresses the primary air flow Fp and then directs it to the high-pressure compressor 204. The latter compresses the primary flow Fp a second time to supply the combustion chamber 205. Part of the primary flow Fp passing through the high pressure compressor is taken for the air requirements of the turbomachine but also for the compressed air requirements of the aircraft.

Dans la chambre de combustion 205, le flux primaire Fp est porté à très haute température. En sortie de la chambre de combustion 205, le flux de gaz chauds passe dans la turbine haute pression 206 puis dans la turbine basse pression 207 qui transforment la détente des gaz chauds en énergie mécanique. La puissance récupérée par la turbine haute pression 206 permet d'entraîner le compresseur haute pression 204 par l'intermédiaire d'un premier arbre axial. La turbine basse pression 207 entraîne en rotation le compresseur basse pression 203 et le rotor de soufflante 202 par l'intermédiaire d'un deuxième arbre axial concentrique au premier arbre. In the combustion chamber 205, the primary flow Fp is raised to a very high temperature. At the outlet of the combustion chamber 205, the flow of hot gases passes through the high-pressure turbine 206 and then into the low-pressure turbine 207 which transforms the expansion of the hot gases into mechanical energy. The power recovered by the high pressure turbine 206 drives the high pressure compressor 204 through a first axial shaft. The low-pressure turbine 207 rotates the low-pressure compressor 203 and the fan rotor 202 through a second axial shaft concentric with the first shaft.

La figure 2 représente une vue partielle en coupe axiale d'une turbomachine selon l'invention, qui comporte un étage final d'un compresseur 204 qui délivre un flux d'air primaire Fp. En sortie du compresseur 204, le flux d'air primaire Fp traverse un redresseur 3 qui le dirige vers un diffuseur 1 situé en aval avec une vitesse axiale optimale. Le redresseur 3 est ici une pièce mécanique indépendante assemblée au diffuseur 1 par boulonnage. Le diffuseur 1 alimente en air sous pression la chambre de combustion 205. Le diffuseur comporte une virole externe 101 reliée à un carter extérieur 4 de la chambre de combustion 205 par l'intermédiaire d'une tôle annulaire 112, et une virole interne 102 reliée à une virole intérieure 5 de la chambre de combustion 205 et à un carter intérieur 6 de turbine par l'intermédiaire d'une tôle annulaire 111. Les viroles externe 101 et interne 102 ont un diamètre croissant de l'amont vers l'aval de la turbomachine et forment ainsi deux cônes coaxiaux divergents. Les tôles annulaires intérieure 111 et extérieure 112 du diffuseur 1 comportent à leurs extrémités respectivement des brides d'attachement 109 et 107 permettant la liaison avec les pièces adjacentes. Les brides d'attachement 109 et 107 sont raccordées respectivement à la virole intérieure 102 et à la virole extérieure 101. Le diffuseur 1 peut en outre comporter une virole annulaire intermédiaire 103 intercalée entre les viroles externe 101 et interne 102 afin de faciliter la diffusion du flux d'air primaire Fp dans la chambre de combustion. La chambre de combustion 205 est montée entre le carter extérieur 4 et un carter intérieur constitué par la tôle annulaire 111 du diffuseur 1 et le carter intérieur 6 de turbine. En sortie de la chambre de combustion 205, le flux de gaz chauds est dévié par un distributeur 2 qui convertit la vitesse axiale du flux primaire Fp en vitesse tangentielle afin d'entraîner les roues de turbine 9 situées en aval du distributeur 2. La figure 3 est une vue isométrique complète et en détail d'un diffuseur selon l'invention, qui comporte une pluralité de bras 104 répartis circonférentiellement et ayant chacun un axe longitudinal 105. Les bras 104 relient la virole extérieure 101, la virole intermédiaire 103 et la virole intérieure 102. Chaque bras 104 comporte une extrémité intérieure 120 et une extrémité extérieure 121. L'axe 105 du bras 104 forme un angle a non nul avec un axe radial R passant par un point du bras, par exemple par son extrémité 120. En fonctionnement, les bras 104 se dilatent et leur longueur augmente, créant un mouvement de rotation entre les viroles externe 101 et interne 102. Cette rotation et le couple provoqués par la dilatation des bras 104 dépendent de la valeur de l'angle a. Cet angle est compris entre 5 et 30°, 30° étant la valeur maximale permettant de réaliser le diffuseur, notamment par fonderie. FIG. 2 represents a partial view in axial section of a turbomachine according to the invention, which comprises a final stage of a compressor 204 which delivers a primary air flow Fp. At the output of the compressor 204, the primary air flow Fp passes through a rectifier 3 which directs it to a diffuser 1 located downstream with an optimal axial speed. The rectifier 3 is here an independent mechanical part assembled to the diffuser 1 by bolting. The diffuser 1 supplies pressurized air to the combustion chamber 205. The diffuser comprises an outer shell 101 connected to an outer casing 4 of the combustion chamber 205 via an annular plate 112, and an inner shell 102 connected to an inner shell 5 of the combustion chamber 205 and to an inner turbine casing 6 via an annular plate 111. The outer and inner rings 101 101 have a diameter increasing from upstream to downstream of the turbomachine and thus form two divergent coaxial cones. The inner annular plate 111 and outer 112 of the diffuser 1 have at their ends respectively attachment flanges 109 and 107 for connection with adjacent parts. The attachment flanges 109 and 107 are respectively connected to the inner ferrule 102 and the outer ferrule 101. The diffuser 1 may further comprise an intermediate annular ferrule 103 interposed between the outer ferrule 101 and inner ferrule 102 in order to facilitate the diffusion of the primary air flow Fp in the combustion chamber. The combustion chamber 205 is mounted between the outer casing 4 and an inner casing constituted by the annular plate 111 of the diffuser 1 and the inner casing 6 of the turbine. At the outlet of the combustion chamber 205, the flow of hot gases is diverted by a distributor 2 which converts the axial speed of the primary flow Fp tangential speed to drive the turbine wheels 9 located downstream of the distributor 2. The figure 3 is a complete isometric view in detail of a diffuser according to the invention, which comprises a plurality of arms 104 distributed circumferentially and each having a longitudinal axis 105. The arms 104 connect the outer shell 101, the intermediate shell 103 and the inner ferrule 102. Each arm 104 has an inner end 120 and an outer end 121. The axis 105 of the arm 104 forms a non-zero angle α with a radial axis R passing through a point of the arm, for example by its end 120. In operation, the arms 104 expand and their length increases, creating a rotational movement between the outer and outer rings 101 and 101. This rotation and the torque caused by the expansion arms 104 depend on the value of the angle a. This angle is between 5 and 30 °, 30 ° being the maximum value for producing the diffuser, particularly by foundry.

La figure 4 représente une vue schématique partielle en perspective d'un ensemble diffuseur et distributeur dans lequel le distributeur 2 de la turbine est relié au diffuseur 1 par l'intermédiaire du carter intérieur de turbine 6. FIG. 4 represents a partial schematic perspective view of a diffuser and distributor assembly in which the distributor 2 of the turbine is connected to the diffuser 1 via the inner turbine casing 6.

Le flux de gaz chauds sortant de la chambre de combustion 205 applique au distributeur 2 une force F2. Selon l'orientation des aubes 20 du distributeur 2, F2 engendre un couple de rotation dans le sens horaire ou anti-horaire. Dans l'exemple de la figure 4, qui est une vue où le diffuseur 1 est placé au premier plan, la force F2 engendre un couple C2 dans le sens horaire, faisant tourner le carter intérieur de turbine dans le sens horaire. Les bras 104 du diffuseur 1 sont inclinés par rapport à des axes radiaux de telle façon que la force FI engendrée par la dilatation thermique des bras radiaux du diffuseur engendre un couple de rotation Cl de sens anti-horaire. L'angle d'inclinaison a est choisi pour engendrer un couple Cl dans la virole intérieure 102 de sens contraire et d'une valeur proche de ou égale à celle du couple C2 engendré par le distributeur 2. Un diffuseur 1 comportant des bras 104 inclinés par rapport à des axes radiaux selon l'invention possède deux avantages : Le choix de l'orientation des bras 104 et de la valeur de l'angle a permet de compenser les efforts engendrés par le distributeur 2 relié au diffuseur sans augmenter la masse des pièces. La géométrie du diffuseur ainsi définie est compatible avec l'obtention dudit diffuseur 1 par fonderie. En effet, pour éviter une déformation des viroles intérieure 102 et extérieure 101 lors du refroidissement, il est nécessaire d'incliner les bras radiaux. The flow of hot gases leaving the combustion chamber 205 applies to the distributor 2 a force F2. Depending on the orientation of the blades 20 of the distributor 2, F2 generates a rotational torque in the clockwise or counterclockwise direction. In the example of Figure 4, which is a view where the diffuser 1 is placed in the foreground, the force F2 generates a torque C2 in the clockwise direction, rotating the inner turbine housing clockwise. The arms 104 of the diffuser 1 are inclined with respect to radial axes so that the force F1 generated by the thermal expansion of the radial arms of the diffuser generates a counterclockwise rotation torque C1. The angle of inclination a is chosen to generate a torque Cl in the inner ring 102 of opposite direction and a value close to or equal to that of the torque C2 generated by the distributor 2. A diffuser 1 having inclined arms 104 relative to radial axes according to the invention has two advantages: The choice of the orientation of the arms 104 and the value of the angle a compensates the forces generated by the distributor 2 connected to the diffuser without increasing the mass of the rooms. The geometry of the diffuser thus defined is compatible with obtaining said diffuser 1 by casting. Indeed, to avoid deformation of the inner ferrule 102 and outer 101 during cooling, it is necessary to tilt the radial arms.

Claims

REVENDICATIONS1. Air supply diffuser of a turbomachine combustion chamber, comprising inner (102) and outer (101) annular ferrules and a plurality of arms (104) connecting said annular ferrules (101, 102), characterized in that the axis (105) of each arm (104) forms a non-zero angle (a) with a radial axis (R) passing through a point of the arm.

2. Diffuser according to claim 2, characterized in that the angle (a) is between 5 and 30 °.

3. Diffuser according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises an intermediate ferrule (103) located between the inner ferrule (102) and outer (101) and connected to the arms (104).

4. Diffuser according to one of claims 1 to 3, characterized in that it is made by casting.

5. Turbomachine comprising a diffuser according to one of claims 1 to 4

6. A turbomachine according to claim 5, comprising a distributor (2) of high-pressure turbine connected to the diffuser through an inner turbine casing (6), characterized in that the orientation of each arm relative to a radial axis is chosen to generate a torque (Cl) in the inner ferrule (102) opposite to a torque (C2) generated by the distributor (2).