FR2825778A1

FR2825778A1 - Coupling between fuel injector nozzle and turbine combustion chamber base has metal mixer/deflector assembly sliding in composition base aperture

Info

Publication number: FR2825778A1
Application number: FR0107370A
Authority: FR
Inventors: Gwenaelle Calvez; Didier Hernandez; Alexandre Forestier
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2002-12-13

Abstract

The coupling between a fuel injection system (20) with a nozzle (22) and and the composition (ceramic matrix) base (30) of a turbine combustion chamber (24) consists of a metal mixer/deflector assembly (36) mounted with a sliding fit in a base aperture (32) to permit a free radial expansion of the assembly relative to the composition base. The mixer/ deflector assembly is fitted to the base between a flange (54) and a fixing ring (50) brazed or welded to an annular component (52), with an optional seal between the assembly and base surfaces.

Description

Domaine de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine spécifique des turbomachines et elle s'intéresse plus particulièrement au problème posé par le

montage du système métallique d'injection de carburant sur la chambre de ZD combustion réalisée en matériau composite de type CMC (composite à matrice céramique). Field of the invention
The present invention relates to the specific field of turbomachinery and it is more particularly interested in the problem posed by the

mounting of the metallic fuel injection system on the ZD combustion chamber made of CMC type composite material (ceramic matrix composite).

Art antérieur
Classiquement, dans un turboréacteur ou un turbopropulseur, la turbine haute pression, notamment son distributeur d'entrée (HPT nozzle), le système d'injection, la chambre de combustion ainsi que l'enveloppe annulaire de cette chambre sont réalisées dans des matériaux de type métallique. Cependant, dans certaines conditions particulières d'utilisation mettant en oeuvre des températures de combustion notablement élevées, l'emploi d'une chambre entièrement métallique s'avère d'un point de vue thermique totalement inadaptée et il doit être recouru à une chambre à base de matériaux composites haute température de type CMC. Toutefois, les difficultés de mise en oeuvre et le coût de ces matériaux font que leur utilisation est souvent limitée à la chambre de combustion elle-même, le distributeur d'entrée de la turbine haute pression, l'enveloppe annulaire et le système d'injection de carburant restant réalisés plus classiquement en des matériaux métalliques. Or, les matériaux métalliques et les matériaux composites ont des coefficients de dilatation thermique très différents. Il en résulte des

problèmes aigus notamment au niveau de la liaison entre la chambre de z : l combustion en matériau composite, particulièrement le fond de cette chambre, et le système métallique d'injection de carburant. Prior art
Conventionally, in a turbojet or turboprop, the high pressure turbine, in particular its inlet distributor (HPT nozzle), the injection system, the combustion chamber as well as the annular envelope of this chamber are made of materials of metallic type. However, under certain particular conditions of use employing notably high combustion temperatures, the use of an entirely metallic chamber proves from a thermal point of view to be totally unsuitable and a chamber based on it must be used. CMC type high temperature composite materials. However, the difficulties of implementation and the cost of these materials mean that their use is often limited to the combustion chamber itself, the inlet distributor of the high pressure turbine, the annular casing and the system of fuel injection remaining more conventionally made of metallic materials. However, metallic materials and composite materials have very different coefficients of thermal expansion. This results in

acute problems in particular at the level of the connection between the chamber of z: l combustion in composite material, particularly the bottom of this chamber, and the metallic fuel injection system.

Objet et définition de l'invention
La présente invention pallie ces inconvénients en proposant une liaison de fond de chambre ayant la capacité d'absorber les déplacements induits par les différences des coefficients de dilatation entre ce fond en matériau composite et le système métallique d'injection de carburant. Object and definition of the invention
The present invention overcomes these drawbacks by proposing a connection at the bottom of the chamber having the capacity to absorb the displacements induced by the differences in the expansion coefficients between this bottom made of composite material and the metallic fuel injection system.

Ces buts sont atteints par un dispositif de liaison entre un système d'injection d'une chambre de combustion et un fond de chambre en matériau composite de cette chambre de combustion, ledit système d'injection comportant

une buse d'injection de carburant et un ensemble métallique mélangeur/déflecteur, 1 et le fond de chambre en matériau composite comportant une pluralité d'ouvertures dans chacune desquelles débouche un ensemble mélangeur/déflecteur associé à une buse d'injection de carburant déterminée, caractérisé en ce que ledit ensemble métallique mélangeur/déflecteur est monté coulissant dans ladite ouverture dudit fond de chambre en matériau composite, de façon à permettre une libre dilatation radiale de l'ensemble mélangeur/déflecteur métallique par rapport audit fond de chambre en matériau composite. These aims are achieved by a connection device between an injection system of a combustion chamber and a chamber bottom made of composite material of this combustion chamber, said injection system comprising

a fuel injection nozzle and a metallic mixer / deflector assembly, 1 and the chamber bottom made of composite material comprising a plurality of openings in each of which opens a mixer / deflector assembly associated with a determined fuel injection nozzle, characterized in that said metal mixer / deflector assembly is slidably mounted in said opening of said chamber bottom made of composite material, so as to allow free radial expansion of the metal mixer / deflector assembly relative to said chamber bottom made of composite material.

Avec ce système de liaison coulissante, les dilatations du système métallique d'injection sont absorbées sans détérioration du fond de chambre en matériau composite. With this sliding connection system, the expansions of the metal injection system are absorbed without deterioration of the chamber bottom made of composite material.

Ledit ensemble métallique mélangeur/déflecteur est monté coulissant dans ladite ouverture dudit fond de chambre entre une bride annulaire dudit ensemble et un anneau de fermeture métallique fixé sur une partie annulaire dudit ensemble qui s'étend au travers de ladite ouverture en arrière dudit fond de chambre. De même, ledit ensemble métallique mélangeur/déflecteur peut aussi être monté coulissant sur une extrémité de ladite buse d'injection par l'intermédiaire d'une couronne solidaire de ladite extrémité qui peut se déplacer, perpendiculairement à un axe de révolution de ladite buse, dans un logement annulaire dudit ensemble

mélaiig mélangeur/déflecteur. Said metal mixer / deflector assembly is slidably mounted in said opening of said chamber bottom between an annular flange of said assembly and a metal closing ring fixed on an annular part of said assembly which extends through said opening behind said chamber bottom . Likewise, said metallic mixer / deflector assembly can also be slidably mounted on one end of said injection nozzle by means of a ring integral with said end which can move, perpendicular to an axis of revolution of said nozzle, in an annular housing of said assembly

melaiig mixer / deflector.

De préférence, l'anneau de fermeture métallique est brasé ou soudé sur ladite partie annulaire en saillie dudit ensemble mélangeur/déflecteur. De préférence, ledit fond de chambre en composite est protégé localement au niveau de zones de frottement avec ledit anneau de fermeture et ladite bride annulaire. Preferably, the metal closure ring is brazed or welded to said annular projecting portion of said mixer / deflector assembly. Preferably, said composite chamber bottom is locally protected at the level of friction zones with said closure ring and said annular flange.

Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de liaison comporte en outre des moyens d'étanchéité formés par un joint circulaire de type oméga monté entre ladite bride annulaire dudit ensemble mélangeur/déflecteur et ledit anneau de fermeture métallique. According to an advantageous embodiment, the connection device further comprises sealing means formed by a circular seal of the omega type mounted between said annular flange of said mixer / deflector assembly and said metal closure ring.

Brève description des dessins Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'une partie d'injection d'une turbomachine incorporant un premier exemple de réalisation d'une liaison selon l'invention, - la figure la montre un détail de la liaison de la figure 1, - la figure 2 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'une partie d'injection d'une turbomachine incorporant un second exemple de réalisation d'une liaison selon l'invention, et - la figure 2a montre un détail de la liaison de la figure 2. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The characteristics and advantages of the present invention will emerge more clearly from the following description, given by way of non-limiting illustration, with reference to the attached drawings in which: - Figure 1 is a schematic view in axial half-section an injection part of a turbomachine incorporating a first embodiment of a connection according to the invention, - Figure la shows a detail of the connection of Figure 1, - Figure 2 is a schematic view in half axial section of an injection part of a turbomachine incorporating a second embodiment of a connection according to the invention, and - FIG. 2a shows a detail of the connection of FIG. 2.

Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel La figure 1 montre en demi-coupe axiale une partie d'injection d'une turbomachine comprenant : . une enveloppe annulaire externe (ou carter externe) 12, d'axe longitudinal 10, . une enveloppe annulaire interne (ou carter interne) coaxiale 14, . un espace annulaire 16 compris entre les deux enveloppes 12 et 14 recevant le comburant comprimé, généralement de l'air, provenant en amont d'un ZD compresseur (non représenté) de la turbomachine, au travers d'un conduit annulaire de diffusion 18 (on notera la présence de la grille de diffusion 18a) définissant un flux général F d'écoulement des gaz, cet espace 16 comportant, dans le sens d'écoulement des gaz, tout d'abord un ensemble d'injection, ensuite une chambre de combustion annulaire 24, et enfin un distributeur annulaire (non représenté) formant un étage d'entrée d'une turbine haute pression. Detailed description of a preferred embodiment FIG. 1 shows in axial half-section an injection part of a turbomachine comprising:. an external annular casing (or external casing) 12, of longitudinal axis 10,. a coaxial internal annular casing (or internal casing) 14,. an annular space 16 comprised between the two envelopes 12 and 14 receiving the compressed oxidant, generally air, coming upstream from a compressor ZD (not shown) of the turbomachine, through an annular diffusion duct 18 ( note the presence of the diffusion grid 18a) defining a general flow F of gas flow, this space 16 comprising, in the direction of gas flow, first of all an injection assembly, then a annular combustion 24, and finally an annular distributor (not shown) forming an inlet stage of a high pressure turbine.

Zn La chambre de combustion annulaire 24 réalisée en un matériau composite haute température de type CMC ou autres (carbone par exemple), est formée d'une paroi axiale externe 26 et d'une paroi axiale interne 28, toutes deux coaxiales d'axe 10 et d'une paroi transversale 30 formant fond de chambre, et pourvue d'une pluralité d'ouvertures 32. Dans la réalisation illustrée qui ne saurait être limitative, la liaison entre les extrémités amont des parois axiales de la chambre Zn The annular combustion chamber 24 made of a high temperature composite material of the CMC or other type (carbon for example), is formed by an external axial wall 26 and an internal axial wall 28, both coaxial with axis 10 and of a transverse wall 30 forming the chamber bottom, and provided with a plurality of openings 32. In the illustrated embodiment which cannot be limiting, the connection between the upstream ends of the axial walls of the chamber

26,28 et des extrémités rabattues du fond de chambre 30 est effectuée par des boulons 34a, 34b. Pour en faciliter le montage/démontage, ces boulons à vis à tête conique peuvent être choisis de préférence de type à écrou prisonnier. 26,28 and the folded ends of the chamber bottom 30 is effected by bolts 34a, 34b. To facilitate assembly / disassembly, these conical head screw bolts can preferably be chosen of the captive nut type.

L'ensemble d'injection est quant à lui formé d'une pluralité de systèmes d'injection 20 fixés sur l'enveloppe annulaire externe 12 et régulièrement répartis autour du conduit 18, et comportant chacun d'une part une buse d'injection de carburant 22 assurant la vaporisation du carburant dans la chambre de combustion

et d'autre part un ensemble métallique mélangeur/déflecteur 36 qui réalise le 1 mélange comburant/carburant et le diffuse dans cette chambre de combustion. The injection assembly is itself formed of a plurality of injection systems 20 fixed on the outer annular casing 12 and regularly distributed around the conduit 18, and each comprising on the one hand an injection nozzle of fuel 22 ensuring the vaporization of the fuel in the combustion chamber

and on the other hand a metallic mixer / deflector assembly 36 which produces the 1 oxidant / fuel mixture and diffuses it into this combustion chamber.

Selon l'invention, chaque ensemble mélangeur/déflecteur 36 qui comporte classiquement au moins un venturi 40 entouré d'au moins une vrille (swirler) 42, 44 que prolonge un bol 46 et un déflecteur 48 qui s'étend au travers de l'ouverture 32 dans la chambre de combustion 24 en avant du fond de chambre 30, est monté coulissant sur le fond de chambre 30 ainsi que sur une extrémité libre de la buse d'injection 22. According to the invention, each mixer / deflector assembly 36 which conventionally comprises at least one venturi 40 surrounded by at least one swirler 42, 44 which is extended by a bowl 46 and a deflector 48 which extends through the opening 32 in the combustion chamber 24 in front of the chamber bottom 30, is slidably mounted on the chamber bottom 30 as well as on a free end of the injection nozzle 22.

Afin de laisser un débattement suffisant entre la buse d'injection solidaire de l'enveloppe externe et l'ensemble mélangeur/déflecteur, cet ensemble 36 est monté coulissant, perpendiculairement à un axe de révolution S de cette buse, sur une couronne 38 montée à l'extrémité libre de la buse et qui peut se déplacer dans un logement annulaire 39 dudit ensemble mélangeur/déflecteur. In order to leave sufficient clearance between the injection nozzle integral with the outer casing and the mixer / deflector assembly, this assembly 36 is slidably mounted, perpendicular to an axis of revolution S of this nozzle, on a crown 38 mounted at the free end of the nozzle and which can move in an annular housing 39 of said mixer / deflector assembly.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention (voir aussi la figure la), l'ensemble métallique mélangeur/déflecteur 36 du système d'injection en carburant 20 qui a un coefficient de dilatation thermique très différent de celui du fond de chambre 30 réalisé en matériau composite (il se dilate en effet plus que le fond de chambre), est monté coulissant dans l'ouverture 32 du fond de chambre 30 entre une bride annulaire 54 du bol 46 et un anneau de fermeture métallique 50 brasé (ou soudé) sur une partie annulaire 52 du bol 46 qui s'étend au travers de l'ouverture 32 vers l'amont de la chambre de combustion, c'est à dire en arrière du fond de chambre 30, de façon à permettre une libre dilatation radiale de l'ensemble mélangeur/déflecteur 36 par rapport à ce fond de chambre. A cet effet, un jeu suffisant est laissé entre la périphérie de l'ouverture 32 et la partie annulaire According to a first embodiment of the invention (see also FIG. 1 a), the metal mixer / deflector assembly 36 of the fuel injection system 20 which has a coefficient of thermal expansion very different from that of the chamber bottom 30 made of composite material (it expands more than the chamber bottom), is slidably mounted in the opening 32 of the chamber bottom 30 between an annular flange 54 of the bowl 46 and a metallic closure ring 50 brazed (or welded ) on an annular part 52 of the bowl 46 which extends through the opening 32 upstream of the combustion chamber, that is to say behind the chamber bottom 30, so as to allow free expansion radial of the mixer / deflector assembly 36 relative to this chamber bottom. To this end, sufficient clearance is left between the periphery of the opening 32 and the annular part.

en saillie 52. Avantageusement, le déflecteur 48 est sectorisé reconstituant le fond de chambre mais limitant en partie les contraintes dues à la dilatation thermique. Projecting 52. Advantageously, the deflector 48 is sectorized reconstituting the chamber bottom but partly limiting the stresses due to thermal expansion.

Avec cette configuration, l'ensemble mélangeur/déflecteur 36 peut sous l'effet de cette dilatation coulisser librement sur le fond de chambre 30 en matériau composite. De préférence, le matériau composite est protégé localement, au niveau des zones de frottement avec l'anneau de fermeture 50 et la bride annulaire 54, par tout dépôt approprié afin de lui éviter une usure excessive. Toutefois, l'étanchéité (la maîtrise des fuites) au niveau de l'anneau de fermeture métallique n'est toutefois pas assurée, ce qui peut être assez gênant dans certaines conditions particulières d'utilisation.

With this configuration, the mixer / deflector assembly 36 can, under the effect of this expansion, slide freely on the chamber bottom 30 made of composite material. Preferably, the composite material is locally protected, at the level of the friction zones with the closure ring 50 and the annular flange 54, by any suitable deposit in order to avoid excessive wear. However, sealing (leakage control) at the metal closure ring is however not guaranteed, which can be quite annoying under certain specific conditions of use.

Aussi, la figure 2 illustre un second exemple de réalisation (voir aussi le c détail de la figure 2a) dans lequel l'étanchéité entre le fond de chambre 30 et l'anneau de fermeture métallique 50 est assurée par un joint circulaire de type oméga 56 monté entre cet anneau et la bride annulaire 54 du bol 46 contre la partie annulaire en saillie 52. Les dimensions respectives de la bride annulaire 54 et de l'anneau 50 sont déterminées de telle façon qu'à chaud il ne puisse y avoir de contact entre la périphérie de cette bride et le fond de chambre 30 qui est alors directement en appui (c'est à dire sans le jeu précédent) contre le joint 56. Outre sa fonction d'étanchéité, ce joint assure aussi le centrage de l'ensemble mélangeur/déflecteur 36 sur le fond de chambre 30. Also, Figure 2 illustrates a second embodiment (see also the detail of Figure 2a) in which the seal between the chamber bottom 30 and the metal closure ring 50 is provided by a circular seal of the omega type. 56 mounted between this ring and the annular flange 54 of the bowl 46 against the projecting annular part 52. The respective dimensions of the annular flange 54 and of the ring 50 are determined so that when hot there can be no contact between the periphery of this flange and the chamber bottom 30 which is then directly in abutment (that is to say without the previous clearance) against the seal 56. In addition to its sealing function, this seal also ensures the centering of the mixer / deflector assembly 36 on the chamber bottom 30.

Avec la configuration de liaison coulissante proposée, les dilatations des constituants du système d'injection sont absorbées sans détérioration des parties en composite de la chambre de combustion, les parties coulissantes permettant

d'éviter une sollicitation en contraintes tangentielles dans le CMC due à la 1 dilatation différentielle de ce système d'injection.With the proposed sliding connection configuration, the expansions of the components of the injection system are absorbed without deterioration of the composite parts of the combustion chamber, the sliding parts allowing

to avoid a request in tangential stresses in the CMC due to the 1 differential dilation of this injection system.

Claims

REVENDICATIONS 1. Dispositif de liaison entre un système d'injection (20) d'une chambre de combustion (24) et un fond de chambre en matériau composite de cette chambre de combustion, ledit système d'injection comportant une buse d'injection de carburant (22) et un ensemble métallique mélangeur/déflecteur (36), et ledit fond de chambre (30) en matériau composite comportant une pluralité d'ouvertures (32) dans chacune desquelles débouche un ensemble métallique mélangeur/déflecteur associé à une buse d'injection de carburant déterminée, caractérisé en ce que ledit ensemble métallique mélangeur/déflecteur est monté t : l coulissant dans ladite ouverture dudit fond de chambre en matériau composite, de façon à permettre une libre dilatation radiale de l'ensemble mélangeur/déflecteur métallique par rapport audit fond de chambre en matériau composite. CLAIMS 1. Connection device between an injection system (20) of a combustion chamber (24) and a chamber bottom made of composite material of this combustion chamber, said injection system comprising an injection nozzle of fuel (22) and a metallic mixer / deflector assembly (36), and said chamber bottom (30) of composite material comprising a plurality of openings (32) in each of which opens a metallic mixer / deflector assembly associated with a nozzle fuel injection determined, characterized in that said metallic mixer / deflector assembly is mounted t: l sliding in said opening of said chamber bottom made of composite material, so as to allow free radial expansion of the metallic mixer / deflector assembly by report to said chamber bottom made of composite material.

2. Dispositif de liaison selon la revendication I, caractérisé en ce que ledit ensemble métallique mélangeur/déflecteur est monté coulissant dans ladite ouverture dudit fond de chambre entre une bride annulaire (54) dudit ensemble et un anneau de fermeture métallique (50) fixé sur une partie annulaire (52) dudit ensemble qui s'étend au travers de ladite ouverture en arrière dudit fond de chambre. 2. Connecting device according to claim I, characterized in that said metallic mixer / deflector assembly is slidably mounted in said opening of said chamber bottom between an annular flange (54) of said assembly and a metallic closing ring (50) fixed on an annular part (52) of said assembly which extends through said opening behind said chamber bottom.

3. Dispositif de liaison selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit anneau de fermeture métallique est brasé ou soudé sur ladite partie annulaire en saillie (52) dudit ensemble mélangeur/déflecteur. 3. Connection device according to claim 2, characterized in that said metal closure ring is brazed or welded to said annular projecting part (52) of said mixer / deflector assembly.

4. Dispositif de liaison selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit fond de chambre en composite est protégé localement au niveau de zones de frottement avec ledit anneau de fermeture et ladite bride annulaire. 4. Connecting device according to claim 2, characterized in that said composite chamber bottom is locally protected at the level of friction zones with said closure ring and said annular flange.

5. Dispositif de liaison selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'étanchéité (56) monté entre ladite bride annulaire dudit ensemble mélangeur/déflecteur et ledit anneau de fermeture métallique. 5. Connecting device according to claim 2, characterized in that it further comprises sealing means (56) mounted between said annular flange of said mixer / deflector assembly and said metal closure ring.

6. Dispositif de liaison selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens d'étanchéité comportent un joint circulaire de type oméga) > . 6. Connecting device according to claim 5, characterized in that said sealing means comprise a circular seal of the omega type)>.

7. Dispositif de liaison selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble métallique mélangeur/déflecteur est en outre monté coulissant sur 7. Connecting device according to claim 1, characterized in that said metallic mixer / deflector assembly is also slidably mounted on

une extrémité de ladite buse d'injection par l'intermédiaire d'une couronne (38) solidaire de ladite extrémité qui peut se déplacer, perpendiculairement à un axe de révolution de ladite buse, dans un logement annulaire (39) dudit ensemble mélangeur/déflecteur. one end of said injection nozzle by means of a crown (38) integral with said end which can move, perpendicular to an axis of revolution of said nozzle, in an annular housing (39) of said mixer / deflector assembly .