FR2992019A1 - Carter en materiau composite pour chambre de combustion de moteur a turbine a gaz - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un carter pour chambre de combustion de moteur à turbine à gaz, comprenant une paroi annulaire (142) en matériau composite destinée à être montée autour de la chambre de combustion et ayant une pluralité d'orifices (148) pour le passage d'équipements de la chambre de combustion, chaque orifice étant formé au niveau d'un bossage (152) en relief par rapport à une surface extérieure (142a) de la paroi du carter, une plaque métallique (156) munie d'un orifice (158) étant fixée sur chaque bossage avec un alignement de leur orifice respectif.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des chambres de combustion équipant les moteurs à turbine à gaz. Elle vise plus précisément le carter annulaire externe délimitant à l'extérieur l'espace annulaire dans lequel est montée la chambre de combustion d'une turbomachine aéronautique. Typiquement, la chambre de combustion proprement dite d'un moteur à turbine à gaz est montée à l'intérieur d'un espace annulaire délimité à l'extérieur par un carter (ou enveloppe) annulaire externe et à l'intérieur par un carter annulaire interne, ces carters étant centrés sur l'axe longitudinal du moteur. Le carter externe de la chambre de combustion comprend plusieurs orifices pour permettre le passage d'équipements de la chambre de combustion. Il s'agit notamment des buses d'injection de carburant et de la bougie d'allumage de la chambre. Ces équipements qui traversent de part en part le carter externe et qui sont fixés sur celui-ci débouchent directement à l'intérieur de la chambre de combustion. Par ailleurs, les carters d'une telle chambre de combustion sont des pièces classées par l'Agence Européenne de la Sécurité Aérienne comme étant hautement critiques. En particulier, la réglementation en vigueur impose que ces pièces, qui sont soumises à de hautes températures (de l'ordre de 400°C) ne conduisent pas à un évènement dangereux du type éjection de bris à haute énergie ou feu moteur. Or, les zones du carter externe au niveau desquelles sont formés les orifices pour le passage des équipements de la chambre de combustion sont des zones particulièrement sensibles car soumises à de fortes contraintes. Ainsi, il a été constaté que, sur un carter externe métallique, des fissures apparaissent au niveau des rayons de raccordement entre les orifices et la surface extérieure du carter externe, ces fissures présentant un risque de propagation circulaire autour des orifices en question. Compte tenu de la pression élevée à laquelle est soumis le carter externe, ces fissures risquent à terme de produire des débris à haute énergie, ce qui n'est pas acceptable.

Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un carter externe pour chambre de combustion satisfaisant parfaitement à la réglementation en vigueur relative aux pièces critiques. Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un carter pour chambre de combustion de moteur à turbine à gaz, comprenant une paroi annulaire en matériau composite destinée à être montée autour de la chambre de combustion et ayant une pluralité d'orifices pour le passage d'équipements de la chambre de combustion, chaque orifice étant formé au niveau d'un bossage en relief par rapport à une surface extérieure de la paroi du carter, une plaque métallique munie d'un orifice étant fixée sur chaque bossage avec un alignement de leur orifice respectif. Il a été constaté que le recours à un matériau composite pour la réalisation de la paroi annulaire du carter permet, en présence de fissures dans les zones où se situent les orifices pour le passage des équipements de la chambre de combustion, d'éviter que ces fissures conduisent à une propagation circulaire autour des bossages comme cela est le cas pour un matériau métallique. Ainsi, tout risque d'éjection de débris à haute énergie peut être évité et la réglementation relative aux pièces critiques peut être plus facilement respectée. Par ailleurs, la présence d'un bossage en relief par rapport à la paroi du carter et l'ajout d'une plaque métallique rapportée sur les orifices permet de s'assurer d'avoir une hauteur de passage suffisante pour les équipements de la chambre de combustion traversant le carter, cette hauteur de passage servant de guide pour les équipements et conférant à l'ensemble une certaine rigidité. De préférence, chaque plaque métallique est fixée sur un bossage avec interposition d'une plaque d'étanchéité. Une telle plaque d'étanchéité permet de limiter le risque de fuite de gaz depuis l'intérieur de l'espace annulaire dans lequel est montée la chambre de combustion proprement dite vers l'extérieur. Cette plaque d'étanchéité peut présenter une épaisseur d'environ 1mm. Par ailleurs, chaque plaque métallique peut être fixée sur un bossage par l'intermédiaire d'attaches à vis et écrou.

De préférence également, chaque bossage se raccorde à la surface extérieure de la paroi du carter par une surface sensiblement courbe. On choisira notamment un faible rayon de courbure pour ce raccordement des bossages avec la surface extérieure de la paroi du carter de façon à limiter davantage le niveau de contraintes auxquels sont soumis les bossages et ainsi le risque de formation de fissures. Chaque bossage peut présenter une forme de triangle, de carré ou de rond. Chaque bossage peut être en relief par rapport à la surface extérieure de la paroi du carter d'une hauteur d'environ 0,5mm.

L'invention a également pour objet un moteur à turbine à gaz comprenant un carter de chambre de combustion tel que défini précédemment. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique et en coupe longitudinale 20 d'une chambre de combustion de turbomachine équipée d'un carter conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle et en développé du carter de la figure 1; et - la figure 3 est une vue en coupe selon III-III de la figure 2. 25 Description détaillée de l'invention L'invention s'applique à tout type de chambre de combustion de moteur à turbine à gaz, et notamment à une chambre de combustion de type annulaire de turbomachine telle que celle représentée sur la figure 1. 30 La chambre de combustion 10 est montée à l'intérieur d'un espace annulaire 12 formé entre un carter annulaire externe 14 conforme à l'invention et un carter annulaire interne 16, ces carters étant centrés sur l'axe longitudinal 18 de la turbomachine. L'espace annulaire 12 dans lequel est montée la chambre de 35 combustion reçoit de l'air comprimé provenant d'un compresseur de la turbomachine au travers d'un conduit annulaire de diffusion 20. Cet air comprimé est notamment destiné à assurer la combustion du carburant à l'intérieur de la chambre 10. Des systèmes d'injection 22 répartis autour de l'axe longitudinal 18 débouchent dans cet espace annulaire 12. Ces systèmes d'injection sont chacun munis d'une buse d'injection de carburant 24 qui traverse le carter externe 14 en étant fixée sur celui-ci. De même, au moins un système d'allumage 26 de la chambre de combustion est prévu. Ce système comprend notamment une bougie d'allumage 28 qui est fixée sur le carter externe 14 en aval des systèmes d'injection 22 en le traversant de part en part. De façon connue, la chambre de combustion est formée d'une paroi annulaire externe 30 et d'une paroi annulaire interne 32 centrées sur l'axe longitudinal 18 de la turbomachine. A leur extrémité aval, ces parois 30, 32 sont fixées sur les carters 14, 16 délimitant l'espace annulaire 12. A leur extrémité amont, ces parois sont reliées entre elles par une paroi transversale 34 formant fond de chambre. Ce dernier comprend une pluralité d'ouvertures 36 pour le passage des buses d'injection de carburant 24. Enfin, la paroi externe 30 de la chambre de combustion est traversée par l'extrémité libre de la bougie d'allumage 28. Comme représenté sur les figures 1 et 2, le carter externe 14 comprend une paroi annulaire 142 centrée sur l'axe longitudinal 18 de la turbomachine et qui se termine à chaque extrémité par une bride de fixation 144, 146.

Selon l'invention, au moins la paroi annulaire 142 du carter externe 14 est réalisée en matériau composite à renfort fibreux densifié par une matrice. Le renfort est en fibres par exemple de carbone, verre, aramide ou céramique et la matrice est en polymère, par exemple époxide, bismaléimide ou polyimide, ou en céramique.

On pourra par exemple utiliser un procédé de fabrication du carter externe comprenant la formation d'un renfort fibreux par des couches superposées d'une texture fibreuse et la densification du renfort fibreux par une matrice, procédé dans lequel la texture fibreuse est réalisée par tissage tridimensionnel et est enroulée en plusieurs couches superposées sur un mandrin de profil correspondant à celui du carter externe à fabriquer, afin d'obtenir une préforme fibreuse de forme correspondant à celle du carter à fabriquer. Par ailleurs, la paroi annulaire 142 du carter externe 14 présente une pluralité d'orifices 148, 150 sensiblement circulaires pour le passage des équipements de la chambre de combustion. En particulier, il est prévu des orifices 148 particuliers pour le passage des buses d'injection de carburant 24 et un orifice 150 particulier pour le passage de la bougie d'allumage 28. Comme représenté sur la figure 3, ces orifices 148, 150 sont formés au niveau de bossages, respectivement 152, 154, qui sont en relief (vers l'extérieur) par rapport à la surface extérieure 142a de la paroi 142 du carter externe. Ainsi, il est prévu des bossages 152 en forme de triangles pour les orifices 148 de passage des buses d'injection de carburant et un bossage 154 en forme de rond pour l'orifice 150 de passage de la bougie d'allumage. Ces bossages 152, 154 présentent une surface extérieure sensiblement plane et font saillies vers l'extérieur par rapport à la surface extérieure 142a de la paroi 142 du carter externe d'une hauteur h de l'ordre de 0,5mm (pour une paroi 142 ayant une épaisseur de l'ordre de 1,8mm environ). Chaque bossage 152, 154 se raccorde de préférence à la surface extérieure 142a de la paroi 142 du carter externe par une surface sensiblement courbe. Le rayon de courbure kt pour ce raccordement des bossages avec la surface extérieure de la paroi du carter externe sera choisi de sorte à être relativement faible pour limiter autant que possible le niveau de contraintes au niveau de ces bossages et ainsi le risque de formation de fissures. De plus, une plaque métallique 156 munie d'un orifice 158 est fixée sur chaque bossage 152, 154 avec un alignement de l'orifice de la plaque métallique avec celui du bossage en question (figure 3). L'épaisseur de cette plaque métallique 156 permet notamment de conférer à l'orifice correspondant une hauteur de passage suffisante pour servir de guide aux équipements. En outre, la plaque métallique procure à l'ensemble une certaine rigidité.

Les plaques métalliques 156 pourront par exemple être réalisées en alliage métallique à haute tenue en température, notamment à base de nickel et de chrome. Les plaques métalliques 156 sont fixées sur les bossages 152, 154 de la paroi 142 du carter externe par l'intermédiaire d'attaches 160 de type vis/écrou. Par exemple, dans le cas des bossages 152 en forme de triangles pour le passage des buses d'injection de carburant, il est prévu trois systèmes à vis/écrou 160 positionnés à chacun des sommets des triangles. Dans le cas des bossages 154 en forme de rond pour le passage de la bougie d'allumage, la plaque métallique 156 peut être de forme rectangulaire et être fixée sur le bossage par des systèmes à vis/écrou 160 positionnés à coin de la plaque métallique. On notera que ces attaches 160 pour la fixation des plaques métalliques sur les bossages pourront également être utilisées pour fixer les équipements de la chambre de combustion (par exemple buses d'injection de carburant ou bougie d'allumage) sur la paroi du carter externe. De préférence, chaque plaque métallique 156 est fixée sur un bossage 152, 154 avec interposition d'une plaque d'étanchéité 162. Une telle plaque d'étanchéité, ayant par exemple dans la configuration décrite précédemment une épaisseur d'environ 1mm, permet de limiter le risque de fuite de gaz depuis l'intérieur de l'espace annulaire 12 dans lequel est montée la chambre de combustion 10 vers l'extérieur.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Carter (14) pour chambre de combustion de moteur à turbine à gaz, comprenant une paroi annulaire (142) en matériau composite destinée à être montée autour de la chambre de combustion (10) et ayant une pluralité d'orifices (148, 150) pour le passage d'équipements (24, 28) de la chambre de combustion, chaque orifice étant formé au niveau d'un bossage (152, 154) en relief par rapport à une surface extérieure (142a) de la paroi du carter, une plaque métallique (156) munie d'un orifice (158) étant fixée sur chaque bossage avec un alignement de leur orifice respectif.
2. 2. Carter selon la revendication 1, dans lequel chaque plaque métallique est fixée sur un bossage avec interposition d'une plaque d'étanchéité (162).
3. 3. Carter selon la revendication 2, dans lequel la plaque d'étanchéité présente une épaisseur d'environ 1mm.
4. 4. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque plaque métallique est fixée sur un bossage par l'intermédiaire d'attaches (160) à vis et écrou.
5. 5. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque bossage se raccorde à la surface extérieure de la paroi du carter par une surface sensiblement courbe.
6. 6. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque bossage présente une forme de triangle, de carré ou de 30 rond.
7. 7. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque bossage est en relief par rapport à la surface extérieure de la paroi du carter d'une hauteur (h) d'environ 0,5mm. 35
8. 8. Moteur à turbine à gaz comprenant un carter (14) de chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.