FR2896575A1 - Chambre de combustion annulaire d'une turbomachine - Google Patents

Abstract

Chambre de combustion annulaire d'une turbomachine, comprenant une paroi intérieure (26), une paroi extérieure (28) et un fond de chambre (30) disposé entre lesdites parois, dans la région amont de ladite chambre, ce fond de chambre présentant des rebords de fixation, intérieur (32) et extérieur (34), fixés auxdites parois (26, 28) en différents points de fixation (36), caractérisée en ce que les rebords de fixation (32, 34) sont fendus entre lesdits points de fixation (36). Avantageusement, le fond de chambre (30) et les parois (26, 28) sont en matériaux céramiques, notamment en matériaux composites à matrice céramique.

Description

i L'invention concerne une chambre de combustion annulaire d'une

turbomachine, du type comprenant une paroi intérieure, une paroi extérieure et un fond de chambre disposé entre lesdites parois, dans la région amont de ladite chambre, ce fond de chambre présentant des rebords de fixation, intérieur et extérieur, fixés auxdites parois en différents points de fixation. Généralement, deux brides d'accrochage disposées en aval du fond de chambre permettent d'accrocher lesdites parois à d'autres parties de la turbomachine, souvent des carters intérieur et extérieur entourant la chambre de combustion.

Auparavant, lesdites parois intérieure et extérieure de la chambre étaient en métal ou en alliage métallique et il était nécessaire de refroidir ces parois pour qu'elles puissent supporter les températures atteintes lors du fonctionnement de la turbomachine. Aujourd'hui, pour diminuer le débit d'air alloué au refroidissement de ces parois, on réalise celles-ci en matériau céramique plutôt qu'en métal. En effet, les matériaux céramiques résistent mieux aux hautes températures et possèdent une masse volumique plus faible que les métaux généralement utilisés. Les gains réalisés en air de refroidissement et en masse permettent d'améliorer le rendement de la turbomachine. Les matériaux céramiques utilisés sont, de préférence, des matériaux composites à matrice céramique, communément dénommés CMC, choisis pour leurs bonnes propriétés mécaniques et leur capacité à conserver ces bonnes propriétés à hautes températures. En ce qui concerne le fond de chambre, celui-ci est traditionnellement en métal ou en alliage métallique. Or, les matériaux céramiques utilisés pour les parois présentent souvent un coefficient de dilatation environ trois fois inférieur à celui des matériaux métalliques utilisés pour réaliser le fond de chambre. Ainsi, les parois se dilatent (ou se rétractent) moins que le fond de chambre, lors des variations de température de fonctionnement de la chambre, ce qui génère des contraintes dans ces pièces. Ces contraintes peuvent être à l'origine de fissurations dans les parois, les matériaux céramiques étant, par nature, fragiles. Pour éviter les inconvénients liés aux écarts de dilatation entre le fond de chambre et les parois, on cherche à réaliser une chambre de combustion avec un fond de chambre et des parois en matériaux céramiques, ces pièces ayant alors des coefficients de dilatation proches, voire identiques. Malheureusement, dans la pratique, on rencontre des difficultés pour fixer par boulonnage le fond de chambre aux parois, en plusieurs points de fixation. En effet, un jeu de montage entre les rebords de fixation du fond de chambre et les parois étant nécessaire, ces pièces sont déformées lors du serrage des boulons. Or, ces pièces étant rigides et fragiles, elles cassent fréquemment au niveau des points de fixation. Pour résoudre un tel problème, l'invention a pour objet une chambre de combustion annulaire du type précité, caractérisée en ce que les rebords de fixation du fond de chambre sont fendus entre lesdits points de fixation. En d'autres termes, des ouvertures sont pratiquées dans les rebords de fixation du fond de chambre, entre lesdits points de fixation, ces ouvertures traversant l'épaisseur des rebords de fixation et débouchant sur l'extrémité libre de ces rebords.

Ces ouvertures peuvent être plus ou moins larges et plus ou moins longues, leur largeur correspondant à leur dimension suivant la direction circonférentielle du rebord de fixation, et leur longueur correspondant à leur profondeur de pénétration à partir de l'extrémité libre du rebord et vers l'intérieur de celui-ci.

Selon un exemple de réalisation, ces ouvertures sont longues et minces et ont la forme de fentes longilignes. Selon un autre exemple, ces ouvertures sont assez larges et ont la forme de festons. Comme expliqué plus haut, l'invention est particulièrement intéressante lorsque le fond de chambre et les parois intérieure et extérieure sont en matériaux céramiques et, notamment, en CMC. Toutefois, l'invention peut s'appliquer dans d'autres cas, par exemple avec un fond de chambre et des parois en matériaux métalliques. Lesdites ouvertures délimitent, dans les rebords de fixation, des secteurs. Si on choisit la fixation par boulonnage, lors du serrage des boulons, ces secteurs viennent plus facilement au contact des parois de la chambre. En d'autres termes, les rebords de fixation sont plus souples. Il se crée ainsi moins de contraintes lors du serrage et les risques de voir les rebords de fixation ou les parois se casser, sont limités. Avantageusement, pour augmenter la souplesse des rebords de fixation, chaque rebord est fendu sensiblement sur toute sa profondeur (la profondeur du rebord étant définie comme la distance séparant son extrémité libre de la partie centrale du fond de chambre). On notera que l'invention peut s'appliquer avec d'autre type de fixation que le boulonnage. Par exemple, lorsque les rebords de fixation sont collés ou rivetés aux parois. L'invention et ses avantages seront bien compris à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif. Cette description se réfère aux planches de dessins annexées sur lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique, en demi-section axiale, d'une partie de turbomachine équipée d'une chambre de combustion selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective partielle, vue de l'amont, du fond de la chambre de combustion de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en perspective partielle, analogue à celle de la figure 2, d'un autre exemple de fond de la chambre de combustion. L'invention se destine à tout type de turbomachine : turboréacteur, turbopropulseur, turbine à gaz terrestre... Dans l'exemple qui suit, on s'intéresse plus particulièrement à un turboréacteur d'avion. La figure 1 montre en demi-section axiale une partie de turboréacteur comprenant : - une enveloppe circulaire intérieure ou carter intérieur 12, d'axe principal 10 correspondant à l'axe de rotation du turboréacteur ; -une enveloppe circulaire extérieure ou carter extérieur 14, coaxial au carter intérieur 12 ; - un espace annulaire 16 compris entre les deux carters 12 et 14 recevant le comburant comprimé, généralement de l'air, provenant en amont d'un compresseur (non représenté) du turboréacteur, au travers d'un conduit annulaire de diffusion 18. L'espace 16 comporte de l'amont vers l'aval, l'amont et l'aval étant définis par rapport au sens d'écoulement normal des gaz à l'intérieur du turboréacteur, indiqué par les flèches F : - un ensemble d'injection pour injecter du carburant dans la chambre de combustion 24, décrite ci-après, cet ensemble d'injection étant formé d'une pluralité de systèmes d'injection 20 régulièrement répartis en amont de la chambre 24 et comportant chacun une buse d'injection de carburant 22 fixée sur le carter extérieur 14. Cette buse d'injection 22 est reliée à la chambre par l'intermédiaire d'un système de maintien 19 et d'un mélangeur 21. Dans un souci de simplification, ces pièces n'ont pas été représentées sur la figure 1, mais elles apparaissent sur les figures 2 et 3 ; - une chambre de combustion 24 comprenant une paroi circulaire 26 radialement intérieure et une paroi circulaire 28 radialement extérieure, toutes deux coaxiales d'axe 10, et une paroi transversale qui constitue le fond 30 de cette chambre et qui est attachée par ses rebords de fixation 32, 34 aux extrémités amont des parois 26, 28. Ce fond de chambre 30 est pourvu d'orifices de passage 40 pour permettre l'injection du carburant, via les buses 22, et d'une partie du comburant, via le mélangeur 21, dans la chambre 24 ; - des brides d'accrochage intérieure 27 et extérieure 29, reliant respectivement les parois intérieure et extérieure 26 et 28 aux carters intérieur et extérieur 12 et 14 ; et - un distributeur annulaire 42 en alliage métallique formant un étage d'entrée de turbine haute pression (non représentée) et comportant classiquement une pluralité d'aubes fixes 44 montées entre une plateforme circulaire intérieure 46 et une plate-forme circulaire extérieure 48. Le distributeur 42 étant fixé aux carters 12 et 14 de la turbomachine par des moyens de fixation appropriés. Le fond de chambre 30 et les parois 26 et 28 sont réalisés en matériaux composites à matrice céramique, ou CMC. Il peut s'agir de matériaux identiques ou différents. Ces matériaux sont choisis en fonctions des contraintes thermomécaniques auxquelles ces pièces sont soumises en fonctionnement. Le fond de chambre 30 présente une partie centrale 33, orientée plutôt perpendiculairement à l'axe 10, et dans laquelle sont ménagés les orifices de passage 40. Cette partie centrale 33 se prolonge en bas et en haut par deux rabats orientés vers l'amont, plutôt suivant l'axe 10, et faisant office de rebords de fixation intérieur 32 et extérieur 34. Les rebords de fixation 32, 34 sont fixés respectivement aux parois intérieure 26 et extérieure 28 en plusieurs points de fixation 36. Dans l'exemple des figures, ces points de fixation sont réalisés par boulonnage. Dans ce but, les rebords de fixation 32, 34 et les parois 26, 28, présentent des trous de passage 50 de boulons de fixation 52. Pour simplifier les figures, les boulons 52 ne sont pas tous représentés. Conformément à l'invention, les rebords de fixation 32, 34 sont fendus entre les points de fixation 36, c'est-à-dire que des ouvertures traversant l'épaisseur des rebords 32, 34 et débouchant à l'extrémité libre 32a, 34a de ces rebords, sont ménagées entre les trous 50 de passage des boulons et, avantageusement, à mi-distance de ces trous 50. Dans la réalisation représentée figure 2, les ouvertures sont des festons 60 dont le contour est sensiblement arrondi vers le fond de chambre. La largeur de ces festons 60 diminue à mesure que l'on s'approche de la partie centrale 33 du fond de chambre 30. La plus grande largeur des festons 60 correspond sensiblement à la distance séparant les trous 50 de passage des boulons (c'est-à-dire à la distance séparant les points de fixation 36). En outre, les festons 60 s'étendent sensiblement sur toute la profondeur des rebords 32, 34, c'est-à-dire à partir de leur extrémité libre 32a, 34a jusqu'aux environs de la partie centrale 33. Les festons 60 divisent les rebords 32, 34, en secteurs 70 mobiles indépendamment les uns des autres et associés chacun à un point de fixation 36. Grâce aux festons 60, les rebords de fixation 32, 34 se déforment plus facilement, avec plus de souplesse au montage, et s'ajustent bien à la forme locale du rebord amont des parois 26 et 28. De cette façon, d'une part, on limite les contraintes créées lors de l'assemblage du fond 30 aux parois 26, 28 et, d'autre part, on limite les fuites entre les rebords 32, 34 et les parois 26, 28.

Selon un autre exemple de réalisation du fond de chambre, représenté sur la figure 3, les ouvertures sont des fentes longilignes 160. La longueur de ces ouvertures est alors nettement supérieure à leur largeur. Dans l'exemple, la longueur de ces fentes longilignes 160 est orientées perpendiculairement à l'extrémité libre 32a, 34a des rebords 32, 34.

On notera que des fentes longilignes 160 sont généralement plus faciles à réaliser que des festons 60. On a pu constater que le fond des fentes 160 au niveau duquel se concentrent les contraintes lors de la déformation des secteurs 70, constitue un point de départ privilégié pour les fissures. Pour pallier cet inconvénient, les fentes longilignes 160 ont, avantageusement, un fond élargi et de préférence arrondi, afin de réduire la concentration des contraintes à cet endroit. Dans l'exemple, ce fond est réalisé par un perçage 161 de diamètre supérieur à la largeur de la fente 160 correspondante. De manière générale, des ouvertures 60, 160 de longueur importante favorisent la souplesse des rebords 32, 34. Inversement, des ouvertures de longueur réduite donnent une rigidité plus grande aux rebords 32, 34 et, donc, améliorent la tenue mécanique de l'assemblage. La longueur des ouvertures 60, 160 sera donc choisie en fonction de ces exigences opposées. Il pourra parfois être intéressant de réaliser des ouvertures de longueurs hétérogènes et adaptées à la souplesse recherchée pour les rebords, par exemple alternativement des ouvertures 60, 160 de petite et de grande longueur. Enfin, on notera que le fond de chambre 30 peut porter sur sa face aval, non apparente sur les figures 2 et 3, des déflecteurs. Ceux-ci visent à protéger le fond de chambre 30 des gaz à hautes températures de la chambre de combustion 24. De tels déflecteurs sont optionnels et leur présence dépend principalement de la résistance propre, aux hautes températures, du matériau utilisé pour réaliser le fond de chambre 30. Etant donné que, grâce à l'invention, il devient possible de réaliser le fond de chambre 30 en matériau céramique réfractaire, avantageusement, on peut se passer des déflecteurs. Il en résulte une simplification et un allègement de la structure du fond de chambre et une diminution de son prix de revient.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Chambre de combustion annulaire (24) d'une turbomachine, comprenant une paroi intérieure (26), une paroi extérieure (28) et un fond de chambre (30) disposé entre lesdites parois, dans la région amont de ladite chambre, ce fond de chambre présentant des rebords de fixation, intérieur (32) et extérieur (34), fixés auxdites parois (26, 28) en différents points de fixation (36), caractérisée en ce que les rebords de fixation (32, 34) sont fendus entre lesdits points de fixation (36). i0

2. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fond de chambre (30) et les parois (26, 28) sont en matériaux céramiques. 15

3. Chambre de combustion selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque rebord de fixation (32, 34) est fendu sensiblement sur toute sa profondeur.

4. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 20 1 à 3, caractérisée en ce lesdits rebords de fixation (32, 34) sont fendus suivant des fentes longilignes (160).

5. Chambre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites fentes longilignes (160) ont un fond élargi.

6. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce les rebords de fixation (32, 34) sont fendus suivant des festons (60). 30

7. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les rebords de fixation (32, 34) sont fixés auxdites parois (26, 28) par boulonnage.

8. Turbomachine comprenant une chambre de combustion (24) selon 35 l'une quelconque des revendications précédentes. 25