FR3107106A1 - Ensemble COMPRENANT un carter et une chambre de combustion, et turbomachine ainsi equipee - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un ensemble de chambre de combustion comprenant un carter annulaire externe de chambre de combustion et une chambre de combustion également annulaire qui est agencée à l'intérieur dudit carter, avec des moyens (4) disposés azimutalement de fixation d'une paroi de ladite chambre de combustion audit carter, ces moyens de fixation comprenant chacun un pion de fixation (4), ledit carter comportant des orifices d'insertion, tandis que ladite paroi de la chambre de combustion comporte des orifices de réception (15) en regard desdits orifices d'insertion, chaque pion (4) étant inséré et fixé dans un orifice d'insertion et dans l'orifice de réception (15) disposé en regard, ledit pion (4) ayant une forme généralement cylindrique tandis que ledit orifice de réception (15) correspondant a la forme d'une cheminée. Selon l'invention, la section droite dudit orifice de réception (15), c'est-à-dire sa section considérée dans un plan parallèle à celui de la paroi de ladite chambre, présente deux dimensions orthogonales différentes, la plus petite d'entre elles étant égale au diamètre D dudit pion (4). Figure pour l’abrégé : figure 5

Description

Ensemble COMPRENANT un carter et une chambre de combustion, et turbomachine ainsi equipee
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention concerne de manière générale le domaine des chambres de combustion pour des turbomachines et plus particulièrement la fixation d'une chambre de combustion à un carter dans lequel est positionnée cette chambre.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Une turbomachine comprend généralement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbine, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d’échappement des gaz.
La chambre de combustion est délimitée par des carters de révolution interne et externe qui s’étendent l’un à l’intérieur de l’autre et sont reliés en amont à un carter annulaire de fond de chambre. Ainsi, dans le contexte de FR 2992 018 au nom du présent demandeur, le carter externe de la chambre est fixé sur une enveloppe externe de la turbomachine, tandis que le carter interne de la chambre est fixé sur une enveloppe interne de celle-ci.
Ainsi, si on se reporte à la figure 1 annexée, on a affaire à un exemple de réalisation d'un carter de turbomachine selon cet art antérieur.
Une turbomachine, telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur, comprend notamment, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz dans la turbomachine, une section de compression des gaz et un carter externe 3 comprenant une chambre annulaire de combustion interne 1 et un distributeur de turbine haute-pression 2.
La chambre de combustion 1 est délimitée par des parois de révolution interne 10 et externe 11 qui s’étendent l’une à l’intérieur de l’autre et sont reliées en amont à une paroi annulaire 12 de fond de chambre. La paroi externe 11 de la chambre 1 est fixée sur un élément de carter externe 30, tandis que la paroi interne 10 de la chambre est fixée sur un élément de carter interne 31.
La paroi annulaire 12 de fond de chambre comporte des ouvertures à travers lesquelles entre du gaz provenant de la section de compression et du carburant amené par un dispositif d'injection de carburant à injecteurs 13 d'axe X-X', fixés sur le carter 3. Il est à noter que cet axe X-X' est différent de l'axe de la chambre 1 qui est confondu avec l'axe de la turbomachine. Bien que non représenté sur la figure 1, ce dernier s'étend horizontalement. Il sert de référentiel aux termes intérieur/interne et extérieur/externe utilisés ici.
Le distributeur haute-pression 2 est disposé en aval de la chambre de combustion 1 et comprend des plateformes annulaires interne 20 et externe 21 qui s’étendent l’une à l’intérieur de l’autre et qui sont reliées entre elles par une ou plusieurs rangées d’aubes directrices 22 sensiblement radiales. La plateforme interne 20 du distributeur 2 est alignée axialement et respectivement avec l’extrémité avale de la paroi interne 10 de la chambre 1, tandis que la plateforme externe 21 du distributeur 2 est alignée axialement avec l’extrémité avale de la paroi externe 11 de la chambre 10.
L’ensemble formé par la chambre de combustion 1 et le distributeur haute-pression 2 est connecté au carter 3 de la turbomachine d’une part par au moins un digon 4, plus couramment dénommé "pion de fixation", de préférence au moins trois, qui s'étendent entre la paroi annulaire de fond 12 de la chambre 1 et le carter 3, et d’autre part par au moins deux brides 32, s’étendant entre la plateforme externe du distributeur haute-pression 2 et l'élément de carter externe 30 et entre la plateforme interne du distributeur haute-pression 2 et l'élément de carter interne 31.
Comme précisé ci-dessus, la description qui précède correspond à l'art antérieur constitué par FR 2 992 018.
Dans d'autres configurations, le carter externe est fixé à l'enveloppe par des pions de fixation, tandis que le carter interne n'est pas fixé à l'enveloppe.
Quelle que soit la configuration, ces pions permettent d'assurer la liaison de la chambre avec le carter, ainsi que la reprise des efforts mécaniques rencontrés au niveau de la chambre.
Ils sont répartis azimutalement autour de la chambre de manière à assurer la tenue mécanique des pièces et, par voie de conséquence, homogénéiser la répartition des charges.
Comme montré à la figure 2 de manière très schématique, un tel pion 4 comporte une tête 40 et un corps 41, encore appelé fût, de forme généralement cylindrique.
Le carter 3 comporte un orifice 300 délimité par un bossage 301, à travers lequel s'étend le pion 4, le bossage formant butée pour la tête 40.
Il est courant que la partie inférieure du pion 4 opposée à la tête 40 ait la forme d'un renflement 42 en forme de portion de sphère.
Ainsi que cela apparait également sur la figure précitée, ce renflement assurant le contact avec la paroi 11 de la chambre 1. Plus précisément, ce renflement est engagé dans un orifice de réception 15 délimité par un bossage en forme de cheminée 16 ménagé dans la paroi 11. Le diamètre D du renflement est égal, au jeu près d'insertion, au diamètre interne de la cheminée. Ce bossage 16 et l'orifice associé 15 sont également visibles à la figure 3.
Le contact entre le pion et la cheminée se fait donc par le biais d'une liaison sphère / cylindre, de sorte qu'en cours d'utilisation de la chambre de combustion 1, on constate des usures significatives sur le pion 4, ce qui implique une augmentation des jeux pion / cheminée, avec un impact également sur les jeux injecteurs /système d'injection et chambre de combustion / plateforme du diffuseur haute-pression.
Sensiblement la même problématique se rencontre lorsque le pion est dépourvu de renflement (c'est à dire que son fût est cylindre et mono-diamètre), de sorte que le contact avec la cheminée se fait par le biais d'une liaison cylindre / cylindre. En effet, des usures au niveau des pions sont constatées, du fait de vibrations asynchrones.
C'est la situation illustrée à la figure 4 dans laquelle les références numériques utilisées et communes aux figures précédentes se rapportent aux mêmes pièces. On peut se reporter au document FR 2 996 289 qui illustre des conditions d'utilisation d'un tel pion.
Quelle que soit la configuration adoptée (forme, position, nombre de pions), les niveaux d'usures observés sur les pions peuvent concerner une partie ou la totalité de la circonférence de la pièce.
De plus, sauf à faire un retour d'expérience en vue de mettre en place des modèles de cinématique d'usure, il est difficile de prévoir à quel moment cette usure sera importante, au point de compromettre les différents jeux fonctionnels (tout particulièrement les jeux axiaux entre la chambre de combustion et le diffuseur haute pression, et entre le nez d'injecteur et la face de collerette des systèmes d'injection).
Ainsi, lorsque le niveau d'usure est tel qu'il soit nécessaire de procéder au changement des pions, le risque est de perdre le positionnement de la chambre de combustion par rapport au carter et, à nouveau, d'avoir un impact sur les jeux fonctionnels.
PRESENTATION DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de solutionner ce problème.
Elle ne vise pas intrinsèquement à réduire les usures, mais à proposer une solution qui permette que les usures aient lieu localement, c'est à dire préférentiellement dans une direction privilégiée, de manière à être plus faciles à repérer pour pouvoir remplacer les pions en temps utile et en toute sécurité.
A cet effet, l'invention concerne un ensemble de chambre de combustion comprenant un carter annulaire externe de chambre de combustion et une chambre de combustion également annulaire qui est agencée à l'intérieur dudit carter, avec des moyens disposés azimutalement de fixation d'une paroi de ladite chambre de combustion audit carter, ces moyens de fixation comprenant chacun un pion de fixation, ledit carter comportant des orifices d'insertion, tandis que ladite paroi de la chambre de combustion comporte des orifices de réception en regard desdits orifices d'insertion, chaque pion étant inséré et fixé dans un orifice d'insertion et dans l'orifice de réception disposé en regard, ledit pion, ayant une forme généralement cylindrique tandis que ledit orifice de réception correspondant a la forme d'une cheminée,
caractérisé par le fait que la section droite dudit orifice de réception, c'est-à-dire sa section considérée dans un plan parallèle à celui de la paroi de ladite chambre, présente deux dimensions orthogonales différentes, la plus petite d'entre elles étant égale au diamètre D dudit pion.
Grâce à ces caractéristiques, les contacts entre le pion et les parois de l'orifice de réception sont limitées à des zones déterminées en regard l'une de l'autre, de sorte que les usures correspondantes qui découlent de vibrations relatives de la chambre de combustion par rapport au carter sont plus facilement repérables.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon une combinaison quelconque d'au moins deux d'entre elles :
  • ledit pion comporte localement un renflement en forme de portion de sphère, ledit diamètre D étant celui dudit renflement, c'est à dire de ladite portion de sphère, de sorte que le contact entre la paroi interne dudit orifice de réception en forme de cheminée et ledit pion se fait par ledit renflement ;
  • ladite section droite a une forme oblongue, elliptique ou rectangulaire ;
  • l'ensemble comprend un nombre prédéterminé de pions de fixation et d'orifices de réception, et au moins un desdits orifices est orienté de sorte que sa plus grande dimension s'étende selon une première direction, alors que les orifices restants sont tous orientés de manière identique, de sorte que leur plus grande dimension s'étende selon une deuxième direction différente de ladite première direction ;
  • lesdites première et deuxième directions sont perpendiculaire l'une à l'autre ;
  • relativement à l'axe longitudinal de ladite chambre de combustion, ladite première direction est orientée parallèlement audit axe longitudinal, tandis que ladite deuxième direction est orientée perpendiculairement audit axe longitudinal.
L'invention concerne également une turbomachine d'aéronef comprenant un ensemble selon l'une des caractéristiques précédentes.
DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés, qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, différents modes de réalisation possibles.
Sur ces dessins :
est, comme indiqué précédemment, une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'un carter de turbomachine conforme à l'art antérieur ;
est un schéma illustrant le montage d'un pion de fixation conforme à l'art antérieur, dans une configuration telle que celle de la figure 1 ;
est une vue en perspective d'un bossage conformé pour recevoir un pion tel que celui de la figure 2 ;
est une vue analogue à la figure 2, le pion comportant un fût strictement cylindrique ;
est un schéma montrant une première forme possible de la section droite d'un orifice de réception d'un pion, conformément à l'invention ;
est un schéma montrant une deuxième forme possible de la section droite d'un orifice de réception d'un pion, conformément à l'invention ;
est un schéma destiné à illustrer comment peuvent être répartis et positionnés les pions et les orifices correspondants relativement à l'axe du moteur de la turbomachine qui en est équipée ;
est une vue en perspective d'un bossage conformé pour recevoir un pion, conformément à l'invention, ce bossage étant orienté selon une première direction ;
est une vue analogue à la précédente d'un bossage conformé pour recevoir un pion, conformément à l'invention, ce bossage étant orienté selon une deuxième direction, perpendiculaire à la précédente.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Dans la description qui va suivre, les références numériques utilisées, qui sont communes avec celles relatives à l'état de la technique décrit plus haut, désignent les mêmes pièces.
Selon la présente invention, la forme et la géométrie des pions de fixation 4 n'est nullement modifiée. En revanche, la section droite des orifices d'insertion l'est, ainsi qu'on le décrit ci-après.
Ainsi, on peut se reporter aux figures 5 et 6 annexées dans lesquelles, pour en faciliter la consultation, on a représenté très schématiquement des modes de réalisation possibles de ces orifices de réception 15.
Dans le cas de la figure 5, ledit orifice 15 a une section droite (considérée dans un plan parallèle à celui de la paroi dans laquelle l'orifice est formé) en forme de rectangle allongé.
Sa petite dimension (largeur) est référencéel, tandis que sa grande dimension (longueur mesurée orthogonalement à la largeur) est référencéeL.
Le pion 4 est également représenté sur cette figure par sa section droite prise au niveau du renflement 42. Et on constate que son diamètreDest égal, au jeu près d'insertion, à la petite dimensionlde l'orifice 15.
Dans ces conditions, on comprend aisément que dès lors que l'ensemble selon l'invention est soumis à des vibrations, celles-ci vont se traduire par des usures localisées au niveau de chaque pion 4 dans les régions où ce dernier est en contact avec la paroi 16 de l'orifice 15, en l'occurrence les deux régions diamétralement opposées du renflement 42, identifiées par les flèches A à la figure 5.
Dans le mode de réalisation de la figure 6, qui constitue une variante de réalisation, on a affaire à un orifice 15 à contour elliptique, son petit diamètre étant égal, au jeu près, à celui du renflement 42. A nouveau, les zones d'usure sur le pion 4 vont être localisées à des régions diamétralement opposées.
Encore une variante est visible aux figures 8 et 9 dans lesquelles l'orifice 15 a une section droite oblongue, en l'occurrence avec deux côtés parallèles reliés par des bords curvilignes.
On réalise ainsi un changement dans la reprise des degrés de liberté de la chambre 1 par une modification de la géométrie de l'orifice en forme de cheminée, ce qui permet de limiter et positionner la zone d’usure sur le renflement en forme de portion de sphère.
Ceci constitue une solution avantageuse à la problématique d’usure observée au niveau des pions pour des chambres de combustion qui font appel à ce type de montage.
L’intérêt réside aussi dans le fait qu’en changeant la zone de contact pion/cheminée, celle-ci se retrouve dans un état non usé sans qu’il soit nécessaire de procéder à un changement de pions.
Un avantage supplémentaire de la géométrie particulière des orifices de réception réside dans le fait qu'il permet de donner aux pions de fixation un degré de liberté de type translation soit axiale soit tangentielle et ce en fonction de la position azimutale des pions, pour assurer une reprise totale des degrés de liberté au moment du montage de la chambre 1 sur le carter 3.
Ainsi, la problématique est principalement de déterminer quelle est l’orientation à donner à la plus grande dimension des orifices de réception 15 pour assurer une certaine cohérence dans le montage de la chambre 1 sur le carter 3.
Il faut notamment s’assurer de la bonne reprise des degrés de liberté pion par pion (reprise spécifique des efforts selon le pion considéré) et de trouver la bonne position azimutale des pions pour que cela puisse se faire.
Ainsi, on peut se reporter à la figure 7 dans laquelle on se propose de positionner un ensemble constitué de quatre orifices de réception 15 et les pions 4 correspondants.
Sur cette figure, on a représenté par un cercle la section de la chambre de combustion 1. L'axe X représente l'axe longitudinal du moteur (non représenté) équipé de la chambre de combustion, tandis que Y et Z sont les deux axes qui lui sont perpendiculaires.
De plus, afin que la lecture de la figure soit facilitée, on a non seulement représenté la forme des orifices de réception 15, mais également, pour ne pas se méprendre sur l'orientation de leur grande dimension, une forme rectangle dont les grands côtés sont orientés de la même manière que ladite grande dimension.
Les orifices de réception 15 et les pions 4 qui leur sont associés sont disposés selon des emplacements P1/P3 et P2/P4 qui sont symétriques par rapport à l'axe vertical Z.
Ainsi, on a affaire, aux emplacements P1, P2 et P3 à des couples pion 4 /orifice 15 disposés de telle sorte que la grande dimension de l'orifice 15 soit orientée tangentiellement, c'est à dire orthogonalement à l’axe X du moteur. On assure ainsi un positionnement axial de la chambre 1 avec un blocage des rotations selon les axes Y et Z.
A l'emplacement P4, le couple pion 4/ orifice 15 est positionné de telle sorte que la grande dimension de l'orifice 15 soit orientée axialement, c'est à dire parallèlement à l'axe X du moteur, ceci afin d’assurer le blocage des degrés de liberté restants (Blocage des translations selon Y et Z et de la rotation selon l’axe moteur).
Bien entendu, il est envisageable d'ajouter d’autres couples pion /orifice à l’assemblage décrit plus haut, sous réserve d’ajouter suffisamment de jeu au niveau des bossages du carter et/ou des orifices de réception pour éviter les problèmes de montage.
De cette manière, on pourra s’attendre à avoir une usure des pions localisée côté amont/aval (direction axe moteur) dans le cas où la grande dimension de l'orifice 15 est orientée tangentiellement, et une usure côté tangentiel dans le cas où la grande dimension de l'orifice est orientée axialement.
Ainsi, l'’usure est volontairement confinée dans une zone spécifique du pion, l’hypothèse se basant sur le fait que le pion a tendance à s’user plus facilement que la paroi de l'orifice 15.

Claims (7)

  1. Ensemble de chambre de combustion comprenant un carter annulaire externe (3) de chambre de combustion et une chambre de combustion (1) également annulaire qui est agencée à l'intérieur dudit carter (3), avec des moyens disposés azimutalement de fixation d'une paroi (11) de ladite chambre de combustion (1) audit carter (3), ces moyens de fixation comprenant chacun un pion de fixation (4), ledit carter (3) comportant des orifices d'insertion (300), tandis que ladite paroi (11) de la chambre de combustion (1) comporte des orifices de réception (15) en regard desdits orifices d'insertion (300), chaque pion (4) étant inséré et fixé dans un orifice d'insertion (300) et dans l'orifice de réception (15) disposé en regard, ledit pion (4) ayant une forme généralement cylindrique tandis que ledit orifice de réception (15) correspondant a la forme d'une cheminée,
    caractérisé par le fait que la section droite dudit orifice de réception (15), c'est-à-dire sa section considérée dans un plan parallèle à celui de la paroi (11) de ladite chambre (1), présente deux dimensions orthogonales différentes, la plus petite d'entre elles étant égale au diamètre D dudit pion (4).
  2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit pion (4) comporte localement un renflement (42) en forme de portion de sphère, ledit diamètre D étant celui dudit renflement (42), c'est à dire de ladite portion de sphère, de sorte que le contact entre la paroi interne dudit orifice de réception (15) et ledit pion (4) se fait par ledit renflement (42).
  3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ladite section droite a une forme oblongue, elliptique ou rectangulaire.
  4. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, qui comprend un nombre prédéterminé de pions (4) de fixation et d'orifices de réception (15), caractérisé par le fait qu'au moins un desdits orifices de réception (15) est orienté de sorte que sa plus grande dimension s'étende selon une première direction, alors que les orifices de réception restants sont tous orientés de manière identique, de sorte que leur plus grande dimension s'étende selon une deuxième direction différente de ladite première direction.
  5. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdites première et deuxième directions sont perpendiculaires l'une à l'autre.
  6. Ensemble selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait que, relativement à l'axe longitudinal (X-X') de ladite chambre de combustion (1), ladite première direction est orientée parallèlement audit axe longitudinal, tandis que ladite deuxième direction est orientée perpendiculairement audit axe longitudinal.
  7. Turbomachine d’aéronef comprenant un ensemble selon l'une des revendications précédentes.
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