FR3101913A1 - GAS GENERATOR OUTPUT ASSEMBLY - Google Patents

Abstract

Le présent document concerne un ensemble de sortie d’un générateur de gaz comprenant un carter d’échappement en matériau métallique, un cône de sortie (16) en matériau composite à matrice céramique, et une bride annulaire (18) dont une partie aval comporte des pattes aval (24) fixées au cône de sortie (16) et une seconde extrémité amont est fixée au carter (10), caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de limitation du transfert thermique entre les pattes aval de la bride (18) et le cône d’échappement (16). Figure à publier avec l’abrégé : Figure numéro 4 This document relates to an outlet assembly of a gas generator comprising an exhaust casing made of metallic material, an outlet cone (16) made of composite material with a ceramic matrix, and an annular flange (18), a downstream part of which comprises downstream lugs (24) fixed to the outlet cone (16) and a second upstream end is fixed to the casing (10), characterized in that it comprises means for limiting the heat transfer between the downstream lugs of the flange (18 ) and the exhaust cone (16). Figure to be published with the abstract: Figure number 4

Description

ENSEMBLE DE SORTIE D’UN GENERATEUR DE GAZGAS GENERATOR OUTPUT ASSEMBLY

Domaine technique de l’inventionTechnical field of the invention

La présente divulgation concerne le domaine des turbomachines et plus particulièrement celui relatif l’échauffement de pièces en fonctionnement.The present disclosure relates to the field of turbomachines and more particularly that relating to the heating of parts in operation.

Etat de la technique antérieureState of the prior art

Classiquement, un générateur de gaz comprend d’amont en aval un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. Cette dernière section de la turbomachine évacue les gaz chauds entre une virole annulaire interne 10 et une virole annulaire externe (non représentée) appartenant à un carter d’échappement 12 qui est représenté en figure 1. Les deux viroles annulaires interne 10 et externe sont reliées par des bras radiaux 14. Comme cela est visible aussi en figure 2, un cône de sortie 16 ou cône d’échappement est relié à la virole annulaire interne 10 par l’intermédiaire d’un bride annulaire 18 de fixation laquelle comprend un anneau 20 s’étendant sur 360°. On notera que si le cône d’échappement est réalisé en métal comme usuellement, cette bride n’existe pas puisqu’elle n’est pas nécessaire. Dans le cas de l’introduction d’un cône en CMC, l’interposition de cette bride annulaire permet de compenser les écarts de dilatation différentielle entre le carter d’échappement et le cône. L’anneau 20 porte une pluralité de pattes amont 22, c’est-à-dire s’étendant vers l’amont depuis l’anneau 20 et une pluralité de pattes aval 24, c’est-à-dire s’étendant vers l’aval depuis l’anneau 20. Les pattes amont 22 et les pattes aval 24 sont régulièrement réparties autour de l’axe A du générateur de gaz et il y a autant de pattes amont 22 que de pattes aval 24. Des vis de fixation sont utilisées pour fixer les pattes amont 22 à la virole annulaire interne 10 et d’autres vis de fixation sont utilisées pour fixer les pattes aval 24 au cône de sortie 16. La figure 3 illustre plus spécifiquement une patte aval 24 qui comprend un premier orifice 26 présentant un plus grand diamètre que deux seconds orifices 28. Le premier orifice 26 permet le passage d’une vis de fixation au cône 16 et les seconds orifices 28 assurent une fixation d’une autre pièce étrangère à la présente invention.Conventionally, a gas generator comprises upstream and downstream a low pressure compressor, a high pressure compressor, a combustion chamber, a high pressure turbine and a low pressure turbine. This last section of the turbomachine discharges the hot gases between an inner annular shell 10 and an outer annular shell (not shown) belonging to an exhaust casing 12 which is shown in FIG. 1. The two inner and outer annular shrouds 10 are connected. by radial arms 14. As can also be seen in FIG. 2, an outlet cone 16 or exhaust cone is connected to the internal annular shell 10 by means of an annular fixing flange 18 which comprises a ring 20 extending over 360 °. Note that if the exhaust cone is made of metal as usual, this flange does not exist since it is not necessary. In the case of the introduction of a CMC cone, the interposition of this annular flange makes it possible to compensate for the differences in differential expansion between the exhaust housing and the cone. The ring 20 carries a plurality of upstream legs 22, that is to say extending upstream from the ring 20 and a plurality of downstream legs 24, that is to say extending towards downstream from the ring 20. The upstream lugs 22 and the downstream lugs 24 are regularly distributed around the axis A of the gas generator and there are as many upstream lugs 22 as there are downstream lugs 24. Fixing screws are used to fix the upstream tabs 22 to the internal annular ferrule 10 and other fixing screws are used to fix the downstream tabs 24 to the outlet cone 16. FIG. 3 more specifically illustrates a downstream tab 24 which includes a first orifice 26 having a larger diameter than two second orifices 28. The first orifice 26 allows the passage of a screw for fixing to the cone 16 and the second holes 28 provide a fastening of another part foreign to the present invention.

En fonctionnement, les gaz chauds du flux d’air primaire issus de la chambre de combustion s’écoulent au contact de la virole annulaire interne 10 puis au contact du cône de sortie 16. Le carter 12 qui est une pièce structurante assurant une reprise des efforts de poussée est réalisée dans un matériau métallique tandis que le cône de sortie 16 est réalisée en composite à matrice céramique afin de réduire la masse du cône de sortie 16 et de permettre des températures de fonctionnement plus élevées que des alliages métalliques classiques.In operation, the hot gases of the primary air flow coming from the combustion chamber flow in contact with the internal annular shell 10 and then in contact with the outlet cone 16. The casing 12 which is a structural part ensuring recovery of the gases. thrust forces is made in a metallic material while the outlet cone 16 is made of ceramic matrix composite in order to reduce the mass of the outlet cone 16 and to allow higher operating temperatures than conventional metal alloys.

En fonctionnement, l’ensemble formé du carter d’échappement 12, de la bride annulaire 18 et du cône de sortie 16 sont soumis à des champs thermiques hétérogènes issus de plusieurs phénomènes. Ainsi, il existe un gradient thermique circonférentiel provenant des bras 14 du carter 12 et de lobes d’une pièce de mélange de l’écoulement d’air annulaire primaire et d’un écoulement d’air annulaire secondaire s’écoulant radialement à l’extérieur de la pièce de mélange. Il existe également un gradient thermique axial entre les pattes aval 24 et le cône de sortie 16.In operation, the assembly formed of the exhaust housing 12, the annular flange 18 and the outlet cone 16 are subjected to heterogeneous thermal fields resulting from several phenomena. Thus, there is a circumferential thermal gradient from the arms 14 of the housing 12 and lobes of a mixing piece of the primary annular air flow and a secondary annular air flow flowing radially to the side. outside of the mixing room. There is also an axial thermal gradient between the downstream tabs 24 and the outlet cone 16.

Egalement, l’extrémité amont du cône de sortie 16 et l’extrémité aval de la virole annulaire étant agencées bout à bout pour faciliter l’écoulement d’air, il s’ensuit que la bride annulaire 18 est montée à l’intérieur du carter 12 d’échappement et du cône de sortie 16. La bride 18 est ainsi reliée à une extrémité amont chaude et une extrémité aval étalement chaude, ce qui conduit à la formation d’un gradient thermique axial dans la bride annulaire 18, les extrémités amont et aval de la bride annulaire 18, c’est-à-dire les pattes amont 22 et aval 24 étant relativement plus chaudes que la partie centrale, c’est-à-dire l’anneau 20. Ce gradient thermique réduit la durée de vie de la bride 18 et peut conduire à des déformations de cette pièce en fonctionnement.Also, the upstream end of the outlet cone 16 and the downstream end of the annular shell being arranged end to end to facilitate the air flow, it follows that the annular flange 18 is mounted inside the exhaust casing 12 and of the outlet cone 16. The flange 18 is thus connected to a hot upstream end and a hot spreading downstream end, which leads to the formation of an axial thermal gradient in the annular flange 18, the ends upstream and downstream of the annular flange 18, that is to say the upstream 22 and downstream legs 24 being relatively hotter than the central part, that is to say the ring 20. This thermal gradient reduces the duration life of the flange 18 and can lead to deformation of this part in operation.

Les pièces composites, en particulier les pièces composites à matrice composites dites pièces CMC, sont de plus en plus utilisées pour remplacer les pièces métalliques intégrées dans les turbomachines. En effet, les pièces CMC présentent des propriétés mécaniques à haute température particulièrement intéressantes, idéales pour la conception, par exemple, de stator ou de distributeurs de turbines. Dans ces deux exemples, des pièces CMC sectorisées sont disposées et assemblées sur un carter métallique, et reliées entre elles par des liaisons étanches, afin d’assurer l’étanchéité de la veine malgré les dilatations thermiques engendrées par les hautes températures de fonctionnement.Composite parts, in particular composite matrix parts known as CMC parts, are increasingly used to replace metal parts integrated in turbomachines. Indeed, CMC parts exhibit particularly advantageous high temperature mechanical properties, ideal for the design, for example, of stators or turbine distributors. In these two examples, sectorized CMC parts are arranged and assembled on a metal casing, and interconnected by sealed connections, in order to ensure the leaktightness of the vein despite the thermal expansions caused by the high operating temperatures.

Dans le domaine de l’aéronautique, pour les applications précitées, les matériaux CMC utilisés sont à base de fibres SiC et de matrice SiC.In the field of aeronautics, for the aforementioned applications, the CMC materials used are based on SiC fibers and SiC matrix.

Les fibres SiC sont intégrées dans le matériau CMC sous forme de structures fibreuses, obtenues par tissage tridimensionnel. Il s’agit d’un tissage multicouches utilisant plusieurs couches de fils de trame et plusieurs couches de fils de chaîne, avec des fils de chaîne qui lient entre eux des fils de trame de différentes couches de fils de trame. Différents types d'armures de tissage 3D peuvent être utilisées, par exemple des armures interlock, multi-satin, multi-toile, multi-sergé.The SiC fibers are integrated into the CMC material in the form of fibrous structures, obtained by three-dimensional weaving. It is a multi-layered weaving using multiple layers of weft yarns and multiple layers of warp yarns, with warp yarns that tie weft yarns of different layers of weft yarns together. Different types of 3D weave weaves can be used, for example interlock, multi-satin, multi-canvas, multi-twill weaves.

A cette fin, il est proposé un ensemble de sortie d’un générateur de gaz comprenant un carter d’échappement en matériau métallique, un cône de sortie en matériau composite à matrice céramique, et une bride annulaire dont une partie aval comporte des pattes aval fixées au cône de sortie et une seconde extrémité amont est fixée au carter, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de limitation du transfert thermique entre les pattes aval de la bride et le cône d’échappement.To this end, an outlet assembly is provided for a gas generator comprising an exhaust casing made of metallic material, an outlet cone made of composite material with a ceramic matrix, and an annular flange, a downstream part of which comprises downstream lugs. fixed to the outlet cone and a second upstream end is fixed to the casing, characterized in that it comprises means for limiting the heat transfer between the downstream tabs of the flange and the exhaust cone.

Ainsi, le transfert thermique entre l’extrémité aval de la bride annulaire et le cône de sortie est limitée de sorte que la durée de vie de la bride est augmentée et les déformations diminuées.Thus, the heat transfer between the downstream end of the annular flange and the outlet cone is limited so that the life of the flange is increased and the deformations reduced.

La bride annulaire peut comprendre des pattes amont s’étendant vers l’amont depuis un anneau ou partie centrale annulaire et des pattes aval s’étendant vers l’aval depuis l’anneau.The annular flange may include upstream legs extending upstream from a ring or central annular portion and downstream legs extending downstream from the ring.

Les moyens de limitation du transfert thermique peuvent comprendre des rondelles intercalées radialement entre l’extrémité aval, plus spécifiquement les pattes aval, de la bride annulaire et le cône de sortie.The heat transfer limiting means may include washers interposed radially between the downstream end, more specifically the downstream tabs, of the annular flange and the outlet cone.

Chaque rondelle peut présenter une surface de contact avec le cône inférieur à la surface de la patte sur laquelle elle est appliquée.Each washer may have a contact surface with the cone lower than the surface of the tab to which it is applied.

Chaque rondelle peut être réalisée en métal ou en céramique, par exemple en alumine. Le coefficient de conductivité thermique de la rondelle peut être inférieure à celui de la bride annulaire.Each washer can be made of metal or ceramic, for example alumina. The coefficient of thermal conductivity of the washer may be lower than that of the annular flange.

Egalement, la surface de chaque patte aval en regard du cône de sortie peut présenter un état de surface ayant une rugosité avec un Ra supérieur à 6,4 µm et de préférence inférieur à 30 µm. Ainsi, la plage de valeurs choisies est très différente de la plage de valeurs comprise entre 0,8 µm et 3,2 µm pour les pièces usinées de la technique antérieure destinées à être en contact l’une avec l’autre où on ne souhaite pas éviter un transfert thermique entre deux pièces.Also, the surface of each downstream tab facing the outlet cone may have a surface condition having roughness with an Ra greater than 6.4 μm and preferably less than 30 μm. Thus, the range of values chosen is very different from the range of values between 0.8 µm and 3.2 µm for the machined parts of the prior art intended to be in contact with each other where it is not desired. not avoid heat transfer between two parts.

La surface de chaque patte en regard du cône de sortie peut comprendre une pluralité de stries ou rainures. Ces rainures peuvent être orientées circonférentiellement et/ou axialement.The surface of each tab facing the outlet cone may include a plurality of ridges or grooves. These grooves can be oriented circumferentially and / or axially.

La surface externe de chaque patte peut être recouverte d’une couche formant une barrière thermique telle que de l'oxyde d'yttrium.The outer surface of each leg may be covered with a layer forming a thermal barrier such as yttrium oxide.

La barrière thermique peut être appliquée sur une sous-couche d’accroche de la barrière thermique.The thermal barrier can be applied over an undercoat of the thermal barrier.

La bride annulaire peut être réalisée dans un matériau métallique.The annular flange can be made of a metallic material.

Est également concerné une turbomachine, telle qu’un turboréacteur à double flux, comprenant un ensemble selon l’une des revendications précédentes.Also concerned is a turbomachine, such as a bypass turbojet, comprising an assembly according to one of the preceding claims.

Brève description des figuresBrief description of the figures

, déjà décrite précédemment, est une vue schématique en perspective avec éclatement, d’un carter d’échappement et d’un cône de sortie reliés l’un à l’autre par une bride annulaire ; , already described above, is a schematic exploded perspective view of an exhaust casing and an outlet cone connected to each other by an annular flange;

, est une vue schématique de la liaison des pièces décrites en référence à la figure 1 ; , is a schematic view of the connection of the parts described with reference to FIG. 1;

, est une illustration schématique en perspective d’une patte aval de la bride annulaire ; , is a schematic perspective illustration of a downstream tab of the annular flange;

, est une illustration schématique en perspective d’un premier mode de réalisation de du présent document ; , is a schematic perspective illustration of a first embodiment of the present document;

, est une illustration schématique en perspective d’un second mode de réalisation de du présent document ; , is a schematic perspective illustration of a second embodiment of the present document;

, est une illustration schématique en perspective d’un troisième mode de réalisation de du présent document. , is a schematic perspective illustration of a third embodiment of this document.

Description détaillée de l’inventionDetailed description of the invention

Les modes de réalisation illustrées aux figures 3, 4 et 5 peuvent être mis en œuvre dans le cadre de l’ensemble formé du carter d’échappement 10, de la bride annulaire 18 et du cône de sortie 16 illustrés en référence à la figure 1 et à la figure 2.The embodiments illustrated in Figures 3, 4 and 5 can be implemented as part of the assembly formed of the exhaust housing 10, the annular flange 18 and the outlet cone 16 illustrated with reference to Figure 1 and in Figure 2.

Ainsi, selon le présent document, des moyens de limitation du transfert thermique entre les pattes aval 24 de la bride 18 et le cône d’échappement 16 sont formés entre les pattes aval 24 de la bride annulaire 18 et la face radialement interne du cône de sortie 16.Thus, according to the present document, means for limiting the heat transfer between the downstream lugs 24 of the flange 18 and the exhaust cone 16 are formed between the downstream lugs 24 of the annular flange 18 and the radially internal face of the cone of exit 16.

Dans un premier mode de réalisation illustré en figure 4, une rondelle 30 est intercalée entre la face radialement externe de chaque patte aval 24a et la face radialement interne du cône de sortie 16. Cette rondelle 30 est une pièce distincte qui peut être montée à l’endroit voulu lors d’une opération de maintenance. Chaque rondelle 30 est de préférence réalisée dans un matériau métallique ou en céramique, telle que l’alumine et présente un coefficient de conduction thermique inférieur à celui de la patte aval 24a de la bride annulaire 18a. La rondelle 30 présente ici une forme sensiblement circulaire et on observe que chaque rondelle 30 présente une surface de contact avec le cône 16 inférieure à la surface de la patte 24a sur laquelle elle est appliquée. En effet, on observe que la surface 32a de la patte aval 24a est supérieure à la surface annulaire de la rondelle 30 de sorte que l’on réduit l’échange thermique entre la patte aval 24a et la rondelle 30 et par suite entre la rondelle 30 et le cône de sortie 16. Ainsi, on peut réduire le transfert thermique entre la patte aval 24a et le cône 16 et réduire le gradient thermique dans la bride annulaire 18a.In a first embodiment illustrated in FIG. 4, a washer 30 is interposed between the radially outer face of each downstream lug 24a and the radially inner face of the outlet cone 16. This washer 30 is a separate part which can be mounted at the same time. desired location during a maintenance operation. Each washer 30 is preferably made of a metallic or ceramic material, such as alumina, and has a thermal conduction coefficient lower than that of the downstream tab 24a of the annular flange 18a. The washer 30 here has a substantially circular shape and it is observed that each washer 30 has a contact surface with the cone 16 less than the surface of the tab 24a on which it is applied. Indeed, it is observed that the surface 32a of the downstream lug 24a is greater than the annular surface of the washer 30 so that the heat exchange between the downstream lug 24a and the washer 30 and consequently between the washer is reduced. 30 and the outlet cone 16. Thus, the heat transfer between the downstream tab 24a and the cone 16 can be reduced and the thermal gradient in the annular flange 18a can be reduced.

Dans une seconde réalisation illustrée en figure 5, la surface externe de chaque patte aval 24b de la bride annulaire 18b est recouverte d’une couche 34 formant une barrière thermique. Cette barrière de conduction thermique peut être de l’oxyde d’yttrium. La barrière thermique est de préférence appliquée sur une sous-couche d’accroche de la barrière thermique. Cette sous couche peut être du NiAl, NiAlPt, MCrAly où M peut être du Ni ou Co. Elle peut encore être en zircone partiellement stabilisé à l’yttrine.In a second embodiment illustrated in Figure 5, the outer surface of each downstream tab 24b of the annular flange 18b is covered with a layer 34 forming a thermal barrier. This thermal conduction barrier can be yttrium oxide. The thermal barrier is preferably applied to an underlayer of the thermal barrier. This sublayer can be NiAl, NiAlPt, MCrAly where M can be Ni or Co. It can also be zirconia partially stabilized with yttrin.

Dans une troisième réalisation illustrée aux figures 6A et 6B, la face radialement externe de chaque patte aval 24c1, 24c2 de la bride annulaire 18c1, 18c2 comprend des stries 34 ou rainures. Ces rainures 34, 36 peuvent être à la fois orientées circonférentiellement et axialement comme cela est le cas sur la patte aval 24c1 de la bride annulaire 18c1 représenté en figure 6A. Elles peuvent aussi être orientées uniquement circonférentiellement comme illustré en figure 6B sur la patte aval 24c2 de la bride annulaire 18c2 et pourraient aussi n’être orientées que axialement (non représenté). Bien évidemment, d’autres formes que des rainures rectilignes 34, 36 seraient possibles bien que cela puisse être plus compliqué à réaliser. L’ajout de stries permet de réduire la surface de contact entre chaque patte aval et le cône de sorite, ce qui permet de réduire le transfert thermique vers le cône et permet d’abaisser le gradient thermique axial dans la bride annulaire.In a third embodiment illustrated in Figures 6A and 6B, the radially outer face of each downstream tab 24c1, 24c2 of the annular flange 18c1, 18c2 comprises ridges 34 or grooves. These grooves 34, 36 can be both circumferentially and axially oriented, as is the case on the downstream tab 24c1 of the annular flange 18c1 shown in FIG. 6A. They can also be oriented only circumferentially as illustrated in Figure 6B on the downstream tab 24c2 of the annular flange 18c2 and could also be oriented only axially (not shown). Obviously, other shapes than straight grooves 34, 36 would be possible although this could be more complicated to achieve. The addition of ridges reduces the contact area between each downstream leg and the sorite cone, which helps reduce heat transfer to the cone and lowers the axial thermal gradient in the annular flange.

Claims (10)

Ensemble de sortie d’un générateur de gaz comprenant un carter d’échappement en matériau métallique, un cône de sortie (16) en matériau composite à matrice céramique, et une bride annulaire (18) dont une partie aval comporte des pattes aval (24) fixées au cône de sortie (16) et une seconde extrémité amont est fixée au carter (10), caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de limitation du transfert thermique entre les pattes aval de la bride (18) et le cône d’échappement (16).Outlet assembly of a gas generator comprising an exhaust casing made of metallic material, an outlet cone (16) made of composite material with a ceramic matrix, and an annular flange (18), a downstream part of which comprises downstream tabs (24 ) fixed to the outlet cone (16) and a second upstream end is fixed to the casing (10), characterized in that it comprises means for limiting the heat transfer between the downstream tabs of the flange (18) and the cone d 'exhaust (16). Ensemble selon la revendication 1, dans lequel les moyens de limitation du transfert thermique comprennent des rondelles (30) intercalées radialement entre les pattes aval (24a) de la bride annulaire (18a) et le cône de sortie (16).Assembly according to Claim 1, in which the heat transfer limiting means comprise washers (30) interposed radially between the downstream tabs (24a) of the annular flange (18a) and the outlet cone (16). Ensemble selon la revendication 2, dans lequel chaque rondelle (30) présente une surface de contact avec le cône (16) inférieure à la surface de la patte (24a) sur laquelle elle est appliquée.An assembly according to claim 2, in which each washer (30) has a contact surface with the cone (16) less than the surface of the tab (24a) to which it is applied. Ensemble selon la revendication 2 ou 3, dans lequel chaque rondelle (30) est réalisée en métal ou en céramique.An assembly according to claim 2 or 3, wherein each washer (30) is made of metal or ceramic. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la surface de chaque patte (24c1, 24c2) en regard du cône de sortie présente un état de surface ayant une rugosité avec un Ra supérieur à 6,4 µm, de préférence inférieur à 30 µm.Assembly according to one of claims 1 to 4, in which the surface of each tab (24c1, 24c2) facing the outlet cone has a surface condition having a roughness with a Ra greater than 6.4 µm, preferably less at 30 µm. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la surface de chaque patte (24c1, 24c2) en regard du cône de sortie comprend une pluralité de stries.Assembly according to one of claims 1 to 4, wherein the surface of each tab (24c1, 24c2) facing the outlet cone comprises a plurality of ridges. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la surface externe de chaque patte (24b) est recouverte d’une couche (34) formant une barrière thermique telle que de l'oxyde d'yttrium.Assembly according to one of claims 1 to 6, wherein the outer surface of each leg (24b) is covered with a layer (34) forming a thermal barrier such as yttrium oxide. Ensemble selon la revendication 7, dans lequel la barrière thermique est appliquée sur une sous-couche d’accroche de la barrière thermique.An assembly according to claim 7, wherein the thermal barrier is applied to an underlayer of the thermal barrier. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la bride annulaire est réalisée dans un matériau métallique.Assembly according to one of claims 1 to 8, in which the annular flange is made of a metallic material. Turbomachine, telle qu’un turboréacteur à double flux, comprenant un ensemble selon l’une des revendications précédentes.Turbomachine, such as a bypass turbojet, comprising an assembly according to one of the preceding claims.