Architecture de chambre de combustion de turbomachine en matériau à matrice céramique

Abstract

 Dans une turbomachine comportant, dans une enveloppe annulaire 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 (44) d'une turbine haute pression, ce distributeur étant supporté par l'enveloppe annulaire et fixé à celle-ci par des premiers moyens de fixation amovibles (50), il est prévu que la chambre de combustion soit montée flottante dans l'enveloppe annulaire et maintenue en position par le seul distributeur auquel elle est fixée de façon élastique par des seconds moyens de fixation amovibles (52, 54).

Description

Domaine de l'invention

[0001] La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines et plus particulièrement elle concerne l'interface entre la turbine haute pression et la chambre de combustion de turboréacteurs munis d'une chambre de combustion en CMC (composite à matrice céramique).

Art antérieur

[0002] Classiquement, dans une turbomachine, la turbine haute pression, notamment son distributeur d'entrée (HPT nozzle), la chambre de combustion ainsi que le carter (dit aussi enveloppe) de cette chambre sont réalisés dans un même matériau, généralement de type métallique. Cependant, dans certaines conditions particulières d'utilisation mettant en oeuvre des températures de combustion notablement élevées, l'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 oeuvre de ces matériaux et leur coût font que leur utilisation est le plus souvent limitée à la chambre de combustion elle même, le distributeur 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 d'interface au niveau du distributeur, en entrée de la turbine haute pression, et de liaison avec le carter de la chambre.

Objet et définition de l'invention

[0003] La présente invention pallie ces inconvénients en proposant une liaison carter-chambre ayant la capacité d'absorber les déplacements induits par les différences des coefficients de dilatation de ces pièces. Un but de l'invention est aussi de proposer une structure de forme simple et dont la fabrication soit particulièrement aisée.

[0004] Ces buts sont atteints par une turbomachine comportant, dans une enveloppe en matériau métallique et selon un sens F d'écoulement des gaz, un ensemble d'injection d'un carburant, une chambre de combustion en matériau composite et un distributeur en matériau métallique formant l'étage d'entrée à aubes fixes d'une turbine haute pression, et ledit distributeur étant supporté par ladite enveloppe et fixé à celle-ci par des premiers moyens de fixation amovibles, caractérisée en ce que ladite chambre de combustion est montée flottante dans ladite enveloppe et maintenue en position par le seul dit distributeur auquel elle est fixée de façon élastique par des seconds moyens de fixation amovibles.

[0005] Par ce rattachement direct (intégration) de la chambre de combustion au distributeur, sans liaison avec l'enveloppe, on simplifie notablement la fabrication de cette chambre tout en améliorant particulièrement l'étanchéité chambre-distributeur. En outre, le parfait alignement de la veine qui en résulte en fonctionnement permet une meilleure alimentation de la turbine haute pression. La suppression des habituelles brides de la chambre de combustion (pour la liaison à l'enveloppe) procure de plus un gain de masse appréciable pour cette chambre et donc pour la turbomachine.

[0006] L'intégration du distributeur sur la chambre reportant les problèmes de déplacement relatif entre cette dernière et l'enveloppe au niveau du distributeur, il est prévu que les premiers moyens de fixation amovibles sont adaptés pour permettre une libre dilatation radiale dudit distributeur par rapport à ladite enveloppe.

[0007] Selon un mode de réalisation préférentiel, lesdits seconds moyens de fixation amovibles comportent d'une part des premiers moyens de maintien pour maintenir par pincement une paroi axiale interne d'extrémité de ladite chambre de combustion entre une plate-forme circulaire interne du distributeur et une bride servant de support à une paroi annulaire interne de ladite enveloppe et des seconds moyens de maintien pour maintenir avec une précontrainte élastique une paroi axiale externe d'extrémité de ladite chambre de combustion sur une plate-forme circulaire externe du distributeur.

[0008] De préférence, la bride support est sectorisée pour compenser les écarts géométriques circonférenciels résultant de la dilatation différentielle existant aux températures élevées entre ladite plate-forme circulaire interne du distributeur et ladite paroi axiale interne de la chambre de combustion. Cette bride support est montée entre une bride de ladite paroi annulaire interne de l'enveloppe et une virole en matériau métallique maintenue contre cette bride par lesdits premiers moyens de fixation amovibles.

[0009] Avantageusement, lesdits premiers moyens de fixation amovibles comportent une pluralité de boulons dont chacun des axes de vis qui traverse un trou oblong correspondant de ladite bride support est muni d'un épaulement sur lequel est mis en appui ladite virole de façon à permettre un coulissement de ladite bride support entre ladite virole et ladite bride de la paroi annulaire interne de l'enveloppe.

[0010] Pour assurer l'étanchéité de la turbomachine, ladite bride de la paroi annulaire interne de l'enveloppe comporte une rainure circulaire pour recevoir un joint circulaire d'étanchéité de type « oméga » destiné à assurer l'étanchéité entre cette dite bride de la paroi annulaire interne de l'enveloppe et ladite bride support. De même, une virole en matériau composite avantageusement brasée sur ladite paroi externe d'extrémité de la chambre de combustion est maintenue avec une précontrainte élastique contre ladite plate-forme circulaire externe du distributeur par les seconds moyens de maintien, ladite virole comportant une rainure circulaire pour recevoir un joint circulaire d'étanchéité de type « oméga » destiné à assurer l'étanchéité entre ladite paroi externe d'extrémité de la chambre de combustion et ladite plate-forme circulaire externe du distributeur.

Brève description des dessins

[0011] 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 centrale d'une turbomachine,
• la figure 2 montre en perspective détaillée la liaison turbine haute pression - chambre de combustion au niveau de la plate-forme interne du distributeur,
• la figure 3 montre en perspective détaillée la liaison turbine haute pression - chambre de combustion au niveau de la plate-forme externe du distributeur, et
• la figure 4 est une vue selon IV de la figure 1.

Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel

[0012] La figure 1 montre en demi-coupe axiale une partie centrale d'un turboréacteur ou d'un turbopropulseur (appelé turbomachine dans la suite de la description) comprenant :

. une enveloppe comportant une paroi annulaire externe (ou carter externe) 12 en matériau métallique, d'axe longitudinal 10, et une paroi annulaire interne (ou carter externe) coaxiale 14 également en matériau métallique,

. un espace annulaire 16 compris entre les deux parois annulaires 12, 14 de cette enveloppe 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 définissant un flux général F d'écoulement des gaz,

[0013] cet espace 16 comportant, dans le sens d'écoulement des gaz, tout d'abord un ensemble d'injection formé d'une pluralité de systèmes d'injection 20 et régulièrement répartis autour du conduit 18 et comportant chacun une buse d'injection de carburant 22 fixée sur l'enveloppe annulaire externe 12 (dans un souci de simplification des dessins le mélangeur et le déflecteur associés à chaque buse d'injection n'ont pas été représentés), ensuite une chambre de combustion en matériau composite haute température 24, de type CMC ou autres (carbone par exemple), 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 qui constitue le fond de cette chambre de combustion et qui comporte des rabats 32, 34 fixés par tous moyens adaptés, par exemple des boulons métalliques ou réfractaires à vis à tête conique), sur des extrémités amont 36, 38 des parois axiales 26, 28, ce fond de la chambre 30 étant pourvu d'orifices 40 pour permettre l'injection du carburant et d'une partie du comburant dans la chambre de combustion 24, et enfin un distributeur annulaire 42 en matériau métallique formant un étage d'entrée d'une turbine haute pression (non représentée) et comportant classiquement une pluralité d'aubes fixes 44 montées entre une plate-forme circulaire externe 46 et une plate-forme circulaire interne 48. Le distributeur repose sur des moyens support 49 solidaire de l'enveloppe annulaire de la turbomachine et est il fixé à celle-ci par des premiers moyens de fixation amovibles constitués de préférence par une pluralité de boulons 50.

[0014] Selon l'invention, la chambre de combustion est montée flottante dans l'enveloppe annulaire et maintenue en position par le seul distributeur auquel elle est fixée de façon élastique par des seconds moyens de fixation amovibles qui comportent d'une part des premiers moyens de maintien 52 pour maintenir par pincement une paroi axiale interne d'extrémité 54 de la chambre de combustion (opposée à l'extrémité amont 38) entre la plate-forme circulaire interne du distributeur 48 et une bride 56 servant de support à l'enveloppe annulaire interne 14 et des seconds moyens de maintien 58 pour maintenir avec une précontrainte élastique 60 une paroi axiale externe d'extrémité 62 de ladite chambre de combustion (opposée à l'extrémité amont 36) sur la plate-forme circulaire externe du distributeur 46. La bride support 56 est montée entre une bride 64 de l'enveloppe annulaire interne 14 et une virole en matériau métallique 66 maintenue contre cette bride par les premiers moyens de fixation amovibles 50.

[0015] Des orifices de passage 68, 70 pour le passage du comburant comprimé préalablement séparé, en sortie du conduit de diffusion 18, en au moins deux flux distincts F1, F2 s'écoulant de part et d'autre de la chambre de combustion 24 (et assurant notamment son refroidissement), sont ménagés dans les plates-formes métalliques externe 46 et interne 48 du distributeur 42 pour assurer un refroidissement des aubes fixes 44 du distributeur en entrée du rotor de la turbine haute pression.

[0016] La chambre de combustion 24 ayant un coefficient de dilatation thermique très différent des autres pièces métalliques formant la turbomachine, notamment le distributeur 42 auquel elle est fixée et l'enveloppe annulaire 12, 14, il est prévu que les premiers moyens de fixation amovibles 50 soient adaptés pour permettre aux températures élevées une libre dilatation radiale du distributeur par rapport à l'enveloppe annulaire. Pour ce faire, la bride support 56 est percée de trous oblongs 72 destinés à coopérer avec les axes de vis de la pluralité de boulons 50 dont un épaulement 74 sert d'appui à la virole 66 de façon à permettre un coulissement de cette bride support entre la virole et la bride 64 de l'enveloppe annulaire interne 14. En outre, cette bride est sectorisée pour compenser les écarts géométriques circonférenciels résultant de la dilatation différentielle existant à ces températures élevées entre la plate-forme circulaire interne 48 du distributeur et la paroi axiale interne 28, 54 de la chambre de combustion.

[0017] Afin d'assurer l'étanchéité des flux d'écoulement de gaz entre la chambre de combustion et la turbine, la bride de l'enveloppe annulaire interne 64 comporte une rainure circulaire 76 pour recevoir un joint circulaire d'étanchéité de type « oméga » 78 destiné à assurer l'étanchéité entre cette bride de l'enveloppe annulaire interne et la bride support 56. Ainsi, le flux de comburant comprimé en provenance du compresseur et entourant la chambre par F2 ne peut rejoindre la turbine qu'au travers des orifices 70. De même, la plate-forme circulaire externe du distributeur 46 comporte une bride 80 munie d'une gorge circulaire 82 pour recevoir un joint à lamelle 84 dont une extrémité va venir en contact avec l'enveloppe annulaire externe 12 pour assurer une étanchéité vis à vis du flux F1.

[0018] Quant à l'étanchéité entre la chambre de combustion 24 et le distributeur 42 elle est assurée entre la paroi externe d'extrémité de la chambre de combustion 62 et la plate-forme circulaire externe du distributeur 46 également au moyen d'un joint circulaire d'étanchéité de type « oméga » 86 montée dans une rainure circulaire 88 d'une virole en matériau composite 90, avantageusement brasée sur la paroi externe d'extrémité de la chambre de combustion 62, et maintenue avec une précontrainte élastique (obtenue par exemple par le ressort 60) contre la plate-forme circulaire externe du distributeur 46 par les seconds moyens de maintien 58.

Revendications

1. Turbomachine comportant, dans une enveloppe 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 en matériau composite (24) et un distributeur en matériau métallique (42) formant l'étage d'entrée à aubes fixes (44) d'une turbine haute pression, et ledit distributeur étant supporté par ladite enveloppe et fixé à celle-ci par des premiers moyens de fixation amovibles (50), caractérisée en ce que ladite chambre de combustion est montée flottante dans ladite enveloppe et maintenue en position par le seul dit distributeur auquel elle est fixée de façon élastique par des seconds moyens de fixation amovibles (52, 58, 60).

2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits premiers moyens de fixation amovibles sont adaptés pour permettre une libre dilatation radiale dudit distributeur par rapport à ladite enveloppe.

3. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits seconds moyens de fixation amovibles comportent d'une part des premiers moyens de maintien (52) pour maintenir par pincement une paroi axiale interne d'extrémité (54) de ladite chambre de combustion entre une plate-forme circulaire interne du distributeur (48) et une bride (56) servant de support à une paroi annulaire interne (14) de ladite enveloppe et des seconds moyens de maintien (58) pour maintenir avec une précontrainte élastique (60) une paroi axiale externe d'extrémité (62) de ladite chambre de combustion sur une plate-forme circulaire externe du distributeur (46).

4. Turbomachine selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite bride support est sectorisée pour compenser les écarts géométriques circonférenciels résultant de la dilatation différentielle existant aux températures élevées entre ladite plate-forme circulaire interne du distributeur et ladite paroi axiale interne de la chambre de combustion.

5. Turbomachine selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite bride support est montée entre une bride (64) de ladite paroi annulaire interne de l'enveloppe et une virole en matériau métallique (66) maintenue contre cette bride par lesdits premiers moyens de fixation amovibles.

6. Turbomachine selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits premiers moyens de fixation amovibles comportent une pluralité de boulons (50) dont chacun des axes de vis qui traverse un trou oblong correspondant (72) de ladite bride support est muni d'un épaulement (74) sur lequel est mis en appui ladite virole de façon à permettre un coulissement de ladite bride support entre ladite virole et ladite bride de la paroi annulaire interne de l'enveloppe.

7. Turbomachine selon la revendication 6, caractérisée en ce que ladite bride de la paroi annulaire interne de l'enveloppe comporte une rainure circulaire (76) pour recevoir un joint circulaire d'étanchéité de type « oméga » (78) destiné à assurer l'étanchéité entre cette dite bride de la paroi annulaire interne de l'enveloppe et ladite bride support.

8. Turbomachine selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une virole en matériau composite (90) avantageusement brasée sur ladite paroi externe d'extrémité de la chambre de combustion et maintenue avec une précontrainte élastique (60) contre ladite plate-forme circulaire externe du distributeur par lesdits seconds moyens de maintien.

9. Turbomachine selon la revendication 8, caractérisée en ce que ladite virole comporte une rainure circulaire (88) pour recevoir un joint circulaire d'étanchéité de type « oméga » (86) destiné à assurer l'étanchéité entre ladite paroi externe d'extrémité de la chambre de combustion et ladite plate-forme circulaire externe du distributeur.

10. Turbomachine comprenant une enveloppe annulaire externe (12) et une enveloppe annulaire interne (14) délimitant entre elles un espace (16) pour recevoir successivement, dans le sens F d'écoulement des gaz, d'une part une chambre de combustion annulaire (24) en matériau composite formée d'une paroi axiale externe (26), d'une paroi axiale interne (28) et d'une paroi transversale (30) qui constitue le fond de cette chambre de combustion, et d'autre part un distributeur annulaire sectorisé (42) en matériau métallique formé d'une pluralité d'aubes fixes (44) montées entre une plate-forme axiale externe (46) et une plate-forme axiale interne (48), caractérisée en ce que les parties d'extrémité libres (54, 62) desdites parois axiales externe et interne de la chambre de combustion sont reliées auxdites plates-formes externe et interne du distributeur, ladite paroi axiale interne d'extrémité (54) de la chambre étant pincée au moyen de premiers moyens de maintien (52) entre ladite plate-forme interne du distributeur et une bride (56) servant de support à ladite enveloppe annulaire interne, et ladite paroi axiale externe d'extrémité (62) de la chambre étant maintenue avec une précontrainte élastique (60) contre ladite plate-forme externe du distributeur par des seconds moyens de maintien (58).

Dessins