Liaison de chambre de combustion cmc de turbomachine en deux parties

Abstract

 Dans une turbomachine comportant, dans des enveloppes annulaires interne et externe en matériau métallique (12,14), 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).

Description

Domaine de l'invention

[0001] La présente invention se rapporte au domaine spécifique des turbomachines 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

[0002] 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 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 et le coût de ces matériaux 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 de liaison avec entre le carter et la chambre de combustion et d'étanchéité au niveau du distributeur, en entrée de la turbine haute pression.

Objet et définition de l'invention

[0003] 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.

[0004] 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, une chambre de combustion en matériau composite ayant un axe longitudinal, et un distributeur en matériau métallique formant 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 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 forme un plan d'appui pour un élément d'étanchéité 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 fixation permettant à des températures élevées une libre dilatation radiale de ladite chambre de combustion en matériau composite par rapport à ladite enveloppe métallique.

[0005] Avec cette structure particulière de liaison fixe, les différentes usures dues 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 permet 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, permettent 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.

[0006] Les premiers et seconds moyens de fixation sont constitués de préférence par une pluralité de boulons. Toutefois, les seconds moyens de fixation 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.

[0007] Selon un mode de réalisation avantageux dans lequel l'enveloppe métallique est formée 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 alternatif, ladite couronne métallique peut être fixée directement à ladite enveloppe annulaire par des moyens de fixation conventionnels.

[0008] 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 formant bride soit former une pièce unique avec cette couronne métallique.

Brève description des dessins

[0009] 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 zone centrale d'une turbomachine dans un premier mode de réalisation de l'invention,
• les figures 1A et 1B illustrent respectivement en perspective et en coupe des éléments de détail de la figure 1,
• la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1 dans une première configuration de liaison alternative, et
• la figure 3 est une vue agrandie d'une autre partie de la figure 1 dans une seconde configuration de liaison alternative.

Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel

[0010] 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 dans un premier mode de réalisation :

. une enveloppe annulaire externe (ou carter externe) en deux parties 12a, 12b en matériau métallique, d'axe longitudinal 10,

. une enveloppe annulaire interne (ou carter interne) coaxiale en deux parties 14a, 14b également en matériau métallique,

. 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,
   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 régulièrement répartis autour du conduit 18 et comportant chacun une buse d'injection de carburant 22 fixée sur une partie amont 12a de l'enveloppe annulaire externe (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 24 en matériau composite haute température, par exemple 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 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 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.

[0011] Le distributeur est fixé sur une partie aval 14b de l'enveloppe annulaire interne 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 l'enveloppe annulaire externe de la turbomachine.

[0012] Des orifices de passage 54, 56 ménagés dans les plates-formes métalliques externe 46 et interne 48 du distributeur 42 sont en outre prévus pour assurer un refroidissement des aubes fixes 44 de ce distributeur en entrée du rotor de la turbine haute 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 combustion 24.

[0013] Selon l'invention, la chambre de combustion 24, qui a un coefficient de dilatation thermique très différent des autres pièces métalliques formant la turbomachine, est maintenue fixement en position dans son enveloppe par une pluralité de pattes souples 58, 60 régulièrement réparties autour de la chambre de combustion entre les enveloppes annulaires interne et externe. Ces pattes de fixation sont montées pour une première partie d'entre elles (voir la patte référencée 58) entre l'enveloppe annulaire externe 12a, 12b et la paroi axiale externe 26 de la chambre de combustion et pour une seconde partie (comme la patte 60) entre l'enveloppe annulaire interne 14a, 14b et la paroi axiale interne 28 de la chambre de combustion. Le nombre de pattes peut, par exemple, être en nombre égal à celui des buses d'injection ou égal à un multiple de ce nombre.

[0014] Chaque patte de fixation souple en matériau métallique qui peut présenter une forme sensiblement triangulaire comme l'illustre la figure 1A, 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 formant bride et fixée solidairement par des premiers moyens de fixation 52 ; 68 à l'une ou l'autre (selon son emplacement) des enveloppes annulaires métalliques externe ou interne. Cette fixation par bride est destinée à faciliter le maintien de ces pattes sur les enveloppes métalliques. Dans un mode de réalisation préférentiel, ces pattes et la couronne métallique forment ensemble une pièce métallique unique d'un seul tenant.

[0015] A une seconde extrémité 70 ;72, cette patte est fixée conjointement par des seconds moyens de fixation 74, 76 d'une part à une extrémité aval 88 ; 90 des parois axiales externe 26 et interne 28 de la chambre de combustion en matériau composite céramique et d'autre part à une extrémité d'une paroi en composite céramique 78a ; 78b disposée dans le prolongement de chacune des parois axiales externe et interne, formant en quelque sorte une seconde partie de chambre, et dont l'autre extrémité forme 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.

[0016] Dans le mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 1, la liaison des secondes extrémités des pattes 70, 72 avec les extrémités aval des parois de la chambre de combustion et les premières extrémités des parois en composite céramique formant seconde partie de chambre est effectuée par un simple boulonnage, de préférence de type à écrou prisonnier pour faciliter un éventuel montage/démontage et corrélativement limiter le dimensionnement 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 interne 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 permettre de « noyer» les têtes coniques des vis des boulons formant les seconds moyens de fixation 74 ; 76.

[0017] 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-formes externe 46 et interne 48 du distributeur et qui vient s'appuyer directement sur la seconde partie 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 ressort à lames 92, 94, fixé sur le distributeur. Par cette disposition, il est assuré une parfaite continuité de la veine chaude entre la chambre de combustion 24 et le distributeur 42. 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 1B) sont avantageusement prévus au niveau des joints 80, 82.

[0018] Quant à l'étanchéité des flux d'écoulement de gaz entre la chambre de combustion et la turbine, il est réalisé d'une part par un joint circulaire d'étanchéité de type « oméga » 96 monté dans une rainure circulaire 98 d'une bride de l'enveloppe annulaire interne 14 en contact direct avec la plate-forme circulaire interne 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 externe du distributeur 46 et dont une extrémité est en contact direct avec un béquet circulaire 104 de la partie aval 12b de l'enveloppe annulaire externe.

[0019] La figure 1B 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.

[0020] Dans une variante illustrée à la figure 2, la couronne métallique 66a formant bride reliant entre elles par brasage (ou soudage) les premières extrémités 62 des pattes de fixation 58 de la paroi axiale externe 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 l'enveloppe annulaire externe 12.

[0021] Dans une autre variante illustrée à la figure 3, la couronne métallique 66b formant bride reliant entre elles par brasage (ou soudage) les premières extrémités 64 des pattes de fixation 60 de la paroi axiale interne de la chambre de combustion 28 n'est plus montée entre brides mais simplement fixée directement à l'enveloppe annulaire interne 14 par des moyens de fixation conventionnels 108, par exemple de type boulon.

[0022] Dans toutes les configurations précitées, la souplesse des pattes de fixation permet de supporter l'écart de dilatation thermique apparaissant aux températures élevées entre la chambre de combustion en matériau composite et les enveloppes annulaires métalliques tout en assurant le maintien et le positionnement de la chambre.

Revendications

1. Turbomachine comportant, dans une enveloppe en matériau métallique (12a, 12b ; 14a, 14b) 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) ayant un axe longitudinal (10), et un distributeur en matériau métallique (42) formant l'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 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 (74, 76) d'une part à ladite 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 dudit distributeur et assurant l'étanchéité de la veine de gaz entre ladite chambre de combustion et ledit distributeur, la souplesse desdites pattes de fixation métalliques permettant 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. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, ladite enveloppe métallique étant formée en deux parties (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).

5. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites premières extrémités des pattes métalliques souples sont fixées par brasage (ou soudage) à ladite couronne métallique formant bride.

6. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites premières extrémités des pattes métalliques souples forment une pièce unique avec ladite couronne métallique formant bride.

7. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits seconds moyens de fixation sont constitués par des éléments de sertissage (76b).

8. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit élément d'étanchéité est du type joint circulaire « à lamelles » (80, 82).

9. Turbomachine selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit joint « à lamelles » comporte une pluralité d'orifices de fuite calibrés (110).

Dessins