FR2825785A1 - Liaison de chambre de combustion cmc de turbomachine en deux parties - Google Patents
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Abstract
Dans une turbomachine comportant, dans des enveloppes annulaires interne et externe en matériau métallique (12, 14) et selon un sens F d'écoulement des gaz, un ensemble d'injection d'un carburant (20, 22), une chambre de combustion annulaire en matériau composite (24), et un distributeur annulaire en matériau métallique (42) formant l'étage d'entrée à aubes fixes d'une turbine haute pression, il est prévu que la chambre de combustion est maintenue en position entre les enveloppes annulaires métalliques interne et externe par une pluralité de pattes métalliques souples (58, 60) dont les premières extrémités (62, 64) sont reliées entre elles par une couronne métallique (66a, 66b) formant bride fixée solidairement à chacune des enveloppes annulaires (12, 14) par des premiers moyens de fixation (52, 66) et les secondes extrémités (70, 72) sont fixées par des seconds moyens de fixation (74, 76) d'une part à la chambre de combustion en matériau composite (26, 28) et d'autre part à une extrémité d'une paroi en matériau composite (78a, 78b) dont l'autre extrémité forme un plan d'appui pour un élément d'étanchéité (80, 82) solidaire du distributeur et assurant l'étanchéité de la veine de gaz entre la chambre de combustion et le distributeur.
Description
par brasage ou par inplantation.
Domaine de l' invention La présente invention se rapporte au domaine spécif que des turbomacllines et elle s'intéresse plus particulièrement au problème posé par le montage d'une chambre de combustion en matériau composite de type CMC
(composite à matrice céramique) dans le carter métallique d'une turbomachine.
Art antérieur 0 Classiquement, dans un turboréacteur ou un turbopropulseur, la turbine haute pression, notamment son distributeur d'entrée (HPT nozzle), la chambre de combustion ainsi que le carter (ou enveloppe) de cette chambre sont réalisés dans un même matériau, généralement de type métallique. Cependant, dans certaines conditions particulières d'utilisation mettant en _uvre des températures de combustion notablement élevées, I'emploi d'une chambre 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 _uvre et le coût de ces matériaux font que leur utilisation est le plus souvent limitée à la chambre de combustion elle même, le distributeur o d'entrée de la turbine haute pression et le carter restant alors 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 particulièrement aigus de liaison avec entre le cater et la chambre de combustion et d'étanchéité au niveau du distributeur, en entrée de
s la turbine haute pression.
Objet et définition de l'invention La présente invention pallie ces inconvénients en proposant un montage de la chambre de combustion dans le carter ayant la capacité d'absorber les déplacements induits par les différences des coefficients de dilatation de ces pièces. Ce but est atteint par une turbomachine comportant, dans une enveloppe en matériau métallique et selon un sens F d'écoulement des gaz, un système d' injection d' un carburant, we chambre de combustion en matériau composite ayant un axe longitudinal, et un distributeur en matériau métallique formant s l'étage d'entrée à aubes fixes d'une turbine haute pression, caractérisée en ce que ladite chambre de combustion en matériau composite est maintenue en position dans ladite enveloppe métallique par une pluralité de pattes métalliques souples ayant des premières et des secondes extrémités, lesdites premières extrémités étant reliées entre elles par une couronne métallique formant bride fixée à ladite o enveloppe métallique par des premiers moyens de fixation et lesdites secondes extrémités étant fixées chacune conjointement par des seconds moyens de fixation d'une part à ladite chambre de combustion en matériau composite et d'autre part à une extrémité d'une paroi en matériau composite dont l'autre extrémité fonne un plan d'appui pour un élément d'étanchéité solidaire dudit distributeur et assurant Iétanclléité de la veine de gaz entre ladite chambre de combustion et ledit distributeur, la souplesse desdites pattes de fixation pennettant à des températures élevées une libre dilatation radiale de ladite chambre de combustion en matériau
composite par rapport à ladite enveloppe métallique.
Avec cette structure particulière de liaison fixe, les différentes usures dues
o aux corrosions de contact des systèmes de l'art antérieur peuvent être évitées.
L'utilisation d'une paroi en matériau composite disposée dans le prolongement de la chambre de combustion pour réaliser l'étanchéité de la veine pennet de plus de reconstituer la structure initiale de la chambre. En outre, la présence des pattes métalliques souples en lieu et place des brides traditionnelles permet un gain en masse particulièrement appréciable. Ces pattes, de part leur souplesse, pennettent de supporter facilement l'écart de dilatation apparaissant aux températures élevées entre pièces métalliques et composites (en reprenant les déplacements dus à la dilatation) tout en assurant un parfait maintien et un bon centrage de la chambre
de combustion dans l'enveloppe.
o Les premiers et seconds moyens de fixation sont constitués de préférence par une pluralité de boulons. Toutefois, les seconds moyens de fixatio'1 peuvent aussi être constitués par des éléments de sertissage. Avantageusement, ledit élément d'étanchéité est du type joint circulaire " à lamelles ". Il peut comporter
une pluralité d'orifices de fuite calibrés.
Selon un mode de réalisation avantageux dans lequel l'enveloppe métallique est fonnée en deux parties, ladite couronne métallique reliant entre elles lesdites premières extrémités desdites pattes métalliques souples est montée entre des brides de liaison de ces deux parties. Dans un mode de réalisation altematif, ladite couronne métallique peut être fixée directement à ladite
enveloppe amlulaire par des moyens de fixation conventionnels.
o Selon le mode de réalisation envisagé, lesdites premières extrémités des pattes de fixation peuvent soit être fixées par brasage (ou soudage) à ladite couronne métallique fonnant bride soit fonner une pièce unique avec cette
couronne métallique.
Brève description des dessins
Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressotiront
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 scllématique en demi-coupe axiale d'une zone o centrale d'une turbomaclline dans un premier mode de réalisation de l'invention, - les figures IA et IB illustrent respectivement en perspective et en coupe des éléments de détail de la figurel, - la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la figure I dans une première configuration de liaison alternative, et s la figure 3 est une vue a.grandie d'une autre partie de la figure I dans une
seconde configuration de liaison altellative.
Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel
La figure I montre en demi-coupe axiale une partie centrale d'un o turboréacteur ou d'un turbopropulseur (appelé turbomachine dans la suite de la
description) comprenant dans un premier mode de réalisation:
une enveloppe annulaire extene (ou carter extenne) en deux parties 12a, 12b en matériau métallique, d'axe longitudinal 10, une enveloppe annulaire interne (ou carter inteme) coaxiale en deux parties 14a, 14b également en matériau métallique, 5. un espace annulaire 16 compris entre les deux enveloppes 12a, 12b et 14a, 14b recevant le comburant comprimé, généralement de l'air? provenant en amont d'un compresseur (non représenté) de la turbomachine, au travers d'un conduit annulaire de diffusion 18 (dont on peut noter la grille diffuseur 18a) définissant un flux général F d'écoulement des gaz, o cet espace 16 comportant, dans le sens d'écoulement des gaz, tout d'abord un ensemble d' injection fonné d'une pluralité de systèmes d' injection 20 régulièrement répartis autour du conduit 18 et comportant cllacun une buse d'injection de carburant 22 fixée sur une partie amont 12a de 1'enveloppe amlulaire exteme (dans un souci de simplification des dessins le mélangeur et le déflecteur associés à cllaque buse d'injection n'ont pas été représentés), ensuite une cllambre de combustion 24 en matériau composite haute température, par exemple de type CMC ou autres (carbone par exemple), fonnée d'une paroi axiale exteme 26 et d'une paroi axiale inteme 28, toutes deux coaxiales d'axe 10, et d'une paroi transversale 30 qui constitue le fond de cette chambre de combustion o et qui comporte des rabats 32, 34 fixés par tous moyens adaptés, par exemple par des boulons métalliques ou réfractaires à vis à tête conique? sur des extrémités amont 36, 38 de ces parois axiales 26, 28, ce fond de chambre 30 étant pourvu d'orifices 40 pour notamment pennettre 1'injection du carburant et d'une partie du comburant dans la cllambre de combustion 24, et enfin un distributeur annulaire s 42 en matériau métallique formant un étage d'entrée d'une turbine 1laute pression (non représentée) et comportant classiquement une pluralité d'aubes fixes 44 montées entre une plate-fonne circulaire exteme 46 et une plate-fonne circulaire
inteme 48.
Le distributeur est fixé sur une partie aval 14b de l'enveloppe annulaire inteme de la turbomachine par des premiers moyens de fixation amovibles constitués de préférence par une pluralité de boulons 50 tout en reposant sur des
moyens support 49 solidaire de 1'enveloppe annulaire extene de la turbomacline.
Des orifices de passage 54, 56 ménagés dans les plates-fonnes métalliques exteme 46 et interne 48 du distributeur 42 sont en outre prévus pour assurer un s refroidissement des aubes fixes 44 de ce distributeur en entrée du rotor de la turbine 1laute pression à partir du comburant comprimé disponible en sortie du conduit de diffusion 18 et s'écoulant en deux flux F1, F2 de part et d'autre de la
chambre de conbustion 24.
Selon l'invention, la chambre de combustion 24, qui a un coefficient de o dilatation tlennique très différent des autres pièces métalliques fonnant la turbomaclline, est maintenue fixement en position dans son enveloppe par une pluralité de pattes souples 58, 60 régulièrement réparties autour de la cllambre de combustion entre les enveloppes annulaires intene et exteme. Ces pattes de fixation sont montées pour une première partie d'entre elles (voir la patte rétérencce 58) entre 1'enveloppe annulaire extene 12a, 12b et la paroi axiale exteme 26 de la chambre de combustion et pour une seconde patie (comme la patte 60) entre 1'enveloppe annulaire inteme 14a, 14b et la paroi axiale inteme 28 de la chambre de combustion. Le nombre de pattes peut, par exemple, étre en
nombre égal à celui des buses d'injection ou égal à un multiple de ce nombre.
Cllaque patte de fixation souple en matériau métallique qui peut présenter une forme sensiblement triangulaire comme l'illustre la figure 1 A, ou être constituée d'une simple lame (non représentée de largeur constante ou non), est soudée ou brasée par une première extrémité 62; 64 à une couronne métallique 66a, 66b fonnant bride et fixée solidairement par des premiers moyens de fixation > 52; 68 à 1'une ou 1'autre (selon son emplacement) des enveloppes annulaires métalliques exteme ou interne. Cette fixation par bride est destince à faciliter le maintien de ces pattes sur les enveloppes métalliques. Dans un mode de réalisation prétérentiel, ces pattes et la couronne métallique fonnent ensemble une
pièce métallique unique d'un seul tenant.
A une seconde extrémité 70;72, cette patte est fixée conjointement par des seconds moyens de fixation 74, 76 d'une pat à une extrémité aval 88; 90 des parois axiales externe 26 et inteme 28 de la cllambre de combustion en matériau composite céramique et d'autre part à une extrénité d'une paroi en composite céramique 78a; 78b disposce dans le prolongement de chacune des parois axiales extene et inteme, fonnant en quelque sorte une seconde patie de chambre, et dont 1'autre extrémité fonme un plan d'appui pour un élément d'étanchéité solidaire du distributeur et assurant l'étanchéité de la veine de gaz entre la
chambre de combustion 24 et le distributeur 42.
Dans le mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 1, la liaison des secondes extrémités des pattes 70, 72 avec les extrénités aval des parois de la 0 chambre de combustion et les premières extrémités des parois en composite céramique fornant seconde partie de chambre est effectuée par un simple boulonnage, de préférence de type à écrou prisonnier pour faciliter un éventuel montage/démontage et corrélativenent liniter le dimensionnenent des pattes. La couronne métallique 66a, 66b reliant entre elles les premières extrémités 62, 64 des pattes est quant à elle de préférence prise entre des brides de liaison existantes entre les parties amont 12a, 14a et aval 12b, 14b des enveloppes annulaires inteme et externe et maintenues fixement par les premiers moyens de fixation 52, 68 qui de préférence sont aussi de type boulon. On notera la présence de rondelles en matériau composite céramique 74a; 76a pour pennettre de "noyer" les têtes
o coniques des vis des boulons fonmant les seconds moyens de fixation 74; 76.
L'étanchéité de la veine de gaz entre la chambre de combustion 24 et le distributeur 42 est assurée par un joint circulaire << à lamelles >> 80, 82 monté dans une rainure 84, 86 de chacune des plates-fonnes extene 46 et inteme 48 du distributeur et qui vient s'appuyer directement sur la seconde patie d'extrémité de la paroi composite céramique 78a; 78b formant un plan d'appui pour ce joint circulaire d'étanchéité. Le joint est maintenu en appui contre cette seconde extrémité de la paroi en composite au moyen d'un élément élastique, de type ressot à lames 92, 94, fixé sur le distributeur. Par cette disposition, il est assuré une parfaite continuité de la veine cllaude entre la cllambre de combustion 24 et le distributeur 49. Toutefois, pour assurer le refroidissement de la zone morte créée sous le distributeur 46 par la paroi en composite, des orifices de fuite calibrés 110 (illustrés sur la seule figure IB) sont avantageusement prévus au niveau des joints , 82. Quant à l'étanclléité des flux d'écoulement de gaz entre la chambre de combustion et la turbine, il est réalisé d'une part par un joint circulaire s d'étanchéité de type " oméga " 96 monté dans une rainure circulaire 98 d'une bride de l'enveloppe annulaire inteme 14 en contact direct avec la plate-fonne circulaire inteme 48 du distributeur et d'autre part par un autre joint circulaire " à lamelles " 100 monté dans une gorge circulaire 102 de la plate-forme circulaire exteme du distributeur 46 et dont une extrémité est en contact direct avec un
o béquet circulaire 104 de la partie aval 12b de 1'enveloppe annulaire exteme.
La figure I B illustre une première variante du mode de réalisation précédent dans lequel la fixation des pattes (seul le cas de la patte 60 est illustré) à l'extrémité aval 90 de la chambre de combustion 24 est effectuée par une liaison sertie, les boulons 76 étant remplacés par des éléments de sertissage 76b. Avec cette configuration, le refroidissement pouvant s'effectuer au travers des éléments de sertissage, il n'est plus nécessaire de prévoir des orifices calibrés au niveau des
joint à lamelles 80, 82.
Dans une variante illustrée à la figure 2, la couronne métallique 66a fonnant bride reliant entre elles par brasage (ou soudage) les premières extrémités o 62 des pattes de fixation 58 de la paroi axiale exteme de la chambre de combustion 26 n'est plus montée entre brides mais elle même brasée (ou soudée) au niveau d'un détrompeur 106 centré et en appui sur 1'enveloppe annulaire
exteme 12.
Dans une autre variante illustree à la figure 3, la couronne métallique 66b fonnant bride reliant entre elles par brasage (ou soudage) les premières extrémités 64 des pattes de fixation 60 de la paroi axiale inteme de la chambre de combustion 28 n'est plus montée entre brides mais simplement fixce directement à l'enveloppe annulaire inteme 14 par des moyens de fixation conventionnels 108,
par exemple de type boulon.
o Dans toutes les configurations précitées, la souplesse des pattes de fixation permet de supporter l'écart de dilatation tlIenmique apparaissant aux températures élevoes entre la chambre de combustion en matériau composite et les enveloppes annulaires métalliques tout en assurant le maintien et le positionnement de la cllambre.
Claims (9)
1. Turbomachine comportant, dans une enveloppe en matériau métallique (12a, 12b; 14a, 14b) et selon un sens F d'écoulement des gaz? un s ensemble d'injection d'un carburant (20, 22), une chambre de combustion en matériau composite (24) ayant un axe longitudinal (10), et un distributeur en matériau métallique (42) formant 1'étage d'entrée à aubes fixes (44) d'une turbine haute pression, caractérisée en ce que ladite chambre de combustion en matériau composite est maintenue en position dans ladite enveloppe métallique par une 0 pluralité de pattes métalliques souples (58, 60) ayant des premières (62, 64) et des secondes (70, 72) extrémités, lesdites premières extrémités étant reliées entre elles par une couronne métallique (66a, 66b) formant bride fixée à ladite enveloppe métallique par des premiers moyens de fixation (52; 68, 108) et lesdites secondes extrémités étant fixées chacune conjointement par des seconds moyens de fixation t5 (74, 76) d'une part à ladite cllambre de combustion en matériau composite (26, 28) et d'autre part à une extrémité d'une paroi en matériau composite (78a, 78b) dont l'autre extrémité forme un plan d'appui pour un élément d'étanclléité (80, 82) solidaire dudit distributeur et assurant l'étanchéité de la veine de gaz entre ladite chambre de combustion et ledit distributeur, la souplesse desdites pattes de o fixation métalliques pennettant à des températures élevées une libre dilatation radiale de ladite chambre de combustion en matériau composite par rapport à
ladite enveloppe métallique.
2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits premiers et seconds moyens de fixation sont constitués par une pluralité de boulons.
3. Turbomaclline selon la revendication 1, caractérisée en ce que, ladite enveloppe métallique étant fomée en deux paties (12a, 12b; 14a, 14b), ladite couronne métallique reliant entre elles lesdites premières extrémités desdites pattes métalliques souples est montée entre des brides de liaison de ces
deux parties.
4. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite couronne métallique reliant entre elles lesdites premières extrémités desdites pattes métalliques souples est fixée directement à ladite enveloppe
annulaire par des moyens de fixation conventionnels ( 108).
s
5. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisce en ce que lesdites premières extrémités des pattes métalliques souples sont fixées par
brasage (ou soudage) à ladite couronne nétallique fonnant bride.
6. Turbomaclline selon la revendication 1, caractérisce en ce que lesdites premières extrémités des pattes métalliques souples forment une pièce
o unique avec ladite couronne métallique fonant bride.
7. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits seconds moyens de fxation sont constitués par des éléments de sertissage (76b).
8. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit
s élément d'étanchéité est du type joint circulaire " à lamelles " (80, 82).
9. Turbomachine selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit joint
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