WO2015097355A1 - Ensemble de fixation d'un bougie de turbomachine - Google Patents

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Pierre-François Simon Paul PIREYRE
François LEGLAYE
David Gino STIFANIC
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    • F23R2900/00012—Details of sealing devices

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbine engines and in particular the arrangement of a spark plug in a combustion chamber.
  • axial refers to the longitudinal axis of the combustion chamber considered
  • radial refers to what is transverse to this axis, so strictly perpendicular, or not
  • external or external is defined with respect to said longitudinal axis vis-à-vis which which is “inner or inner” is radially closer and is surrounded (at least in part) by what is therefore “Outside or outside”.
  • FIG. 1 which is extracted from FR-A-2900976, shows schematically an embodiment of the prior art in which we see a (part of) turbomachine 1 where, as in the following figures, gases flow globally and longitudinally from upstream (AM) downstream (AV).
  • AM upstream
  • AV downstream
  • This (part of) turbomachine 1 comprises:
  • a combustion chamber 3 having a longitudinal axis 3a and comprising:
  • a device 5 for injecting air and fuel centered substantially on the axis 3a of the combustion chamber, which axis extends generally along the longitudinal axis 1a of the turbomachine,
  • this device comprising:
  • spark plug adapter 16 fixed towards a first end to the outer casing 11, facing the second opening 11a and through which the spark plug 15 passes,
  • a candle guide 19 maintained in contact with the outer longitudinal wall 9, opposite the first opening 9a and through which passes the candle to open into the combustion chamber.
  • the combustion chamber 3 is contained in an annular space, formed by the outer casing 1 1 and the inner annular wall 17, and concentric with the unrepresented shafts connecting the turbine block to the compressor block of the turbomachine.
  • the (or each) outer shell 9 is provided with a flange, or support, 21, of connection with the outer casing January 1, and the (or each) inner shell 7 is provided with another flange, or 23, which is defined by the internal and external shrouds 7, radially encloses a transverse chamber bottom 25 associated with upstream fairings.
  • a plurality of fuel injectors distributed around the longitudinal axis of the turbomachine (such as the rod 27 which terminates along the axis 3a) open into the interior volume 29 of the combustion chamber through the chamber bottom 25.
  • deflectors 31 form a bowl around each supply rod, deviate radially and swirling towards the fuel sprayed part of the air which has entered the faired area 29 and thus ensure the formation of a fuel mixture with the air.
  • a primary combustion zone may be formed downstream of the chamber floor in which the mixture is ignited by the candle 15 or more such candles distributed circumferentially.
  • the spark plug 15 passes through the casing January 1 and extends radially inwards to substantially flush with the outer shell 9 through the orifice 9a.
  • the spark plug 15 is retained on outer casing January 1 by the candle adapter 16 through which it passes.
  • the candle adapter 16 comprises a tubular portion forming a cylindrical housing, a portion of which is threaded and wherein the candle is retained by screwing.
  • the tubular portion is associated with a plate, perpendicular to the cylindrical housing, which is provided with holes for fixing members of the adapter to the outer casing January 1.
  • the spark plug 15 passes through the spark plug 19, which is mounted in a chimney 20 surrounding the orifice 9a and fixedly secured to the outer casing 11.
  • the guide candle forms a floating sleeve which surrounds the spark plug and comprises a flange 19a, radial relative thereto, slidably mounted between corresponding guide surfaces integral with the chimney 20 and which seals.
  • the candle 15 is cooled by the air flow in the space 33, by air impingement passing through the candle guide 19 and by conduction on the outside of the candle adapter.
  • the front (or nose) 15a candle is positioned flush with the wall of the outer shell 9 belonging to the flame tube of the combustion chamber.
  • this flame tube expands and the candle, bringing the nose of the candle out of the protective air film and thus to enter the flame (hot gas), the most severe conditions.
  • one objective is to favor the maintenance of a substantially constant radial positioning of the nose of the candle with respect to the vein of the flame tube in view of a gain in lifetime of the candle and of a breakdown thereof (spark generation) under any circumstance, regardless of the operating phase of the turbomachine.
  • an assembly of the aforementioned general type comprising a turbomachine plug and a device for radial attachment of this plug to a (part of the) turbomachine, which comprises:
  • a combustion chamber having a longitudinal axis and comprising:
  • the device for fixing the candle which device comprises: ⁇ a candle adapter fixed to a first end to the outer casing, facing the second opening and through which the candle considered, and
  • a candle guide held in contact with the outer longitudinal wall, opposite the first opening and through which the candle passes to open into the combustion chamber,
  • this assembly being characterized in that the spark plug and the spark plug guide each have a thread, the threads being screwed together, in order to stabilize radially to the axis of the combustion chamber the spark plug, with respect to said external longitudinal wall.
  • the spark plug and the spark plug-guide be, together, mounted freely relative to this casing, in a direction substantially radial to the axis of the second opening.
  • Another difficulty may also arise from the friction of the guide-plug against the walls of the annular boss of the external longitudinal wall that receives it.
  • the spark plug and the spark plug guide are radially biased towards the outer casing which is not solicited in the same manner.
  • a friction of the guide-plug against the relevant wall of the annular boss of the outer longitudinal wall can then occur.
  • the guide-plug more generally in the phases of radial and / or axial expansion of the walls of the inner chamber of the combustion chamber relative to the housing, phases in which the candle can exert a radial force on the outer shell, it is proposed that between the guide-plug and the relevant wall of the annular boss of the outer longitudinal wall is interposed a substantially axial sliding means.
  • ball bearings can be provided;
  • sliding means a choice of materials in contact promoting sliding to reduce the coefficient of friction between them (such as a ceramic-based coating, for example consisting of a sol-gel type material, or carbon / graphite with self-lubricating property).
  • the candle be provided with a flange which locally surrounds it and which is in connection (preferably by compression) with at least one joint disposed in support between an inner flange of the candle adapter and the flange.
  • first and second deformable joints disposed on either side of the flange for a seal on either side of this flange: when radially a seal will relax the other seal will be compressed. It is recommended that the two joints be balanced so as to transmit (virtually) no radial force to the chamber, mounting.
  • the candle adapter has a second end opposite the first one. end, scoop holes for an air passage between the inside and outside of the candle adapter
  • this candle adapter has a first and a second connected parts to be mounted together and disassembled the one screw - with respect to the other substantially parallel to the axis of the second opening of the outer casing, preferably in a zone surrounding the joint (s) where, preferably, will extend the collar if it is provided.
  • the candle and the candle adapter are preferably provided with centering locally comprising a bead around the candle, this bead being peripherally closer to the inner face facing the adapter of candle than are the one of the other, elsewhere along the longitudinal axis of the candle, the faces opposite the candle and the adapter.
  • This solution preferred to that possible, a bead (or any other local restriction of internal section) on the internal face of the adapter, is provided to not impact the assembly / disassembly of the candles.
  • a particular solution for carrying out these centerings consists in not using a cylindrical seat, but a spherical seat and in increasing the clearance between the candle and, peripherally, the inner face of the extreme rear (outer) part of the candle adapter. , in order to limit the hyperstatism and give more flexibility to the candle in case of tilting of the ferrules, therefore of the combustion zone.
  • a risk of this solution lies in a possible increase in the vibrations of the candle around its spherical range and an acceleration of wear of the latter.
  • the candle is a consumable that must be changed for safety constraints of spark production, it is typically not to create pre-identified sources of potential problems. Also a centering solution by cylindrical scope is not excluded.
  • turbomachine plug and radial attachment device of the spark plug also relates to a turbomachine comprising this assembly, including the combustion chamber and the outer casing.
  • FIG. 1 shows in longitudinal section a portion of a combustion chamber of gas turbine engine according to an example of the prior art
  • Figure 2 shows, in the same section but in enlarged view and more locally (zone II), the candle and its mounting environment (in a corresponding version, as in the following figures, at least part of the updated solutions presented here)
  • FIG. 3 shows, in front view, an anti-rotation system applied to the candle guide
  • FIGS. Like that of FIG. 2, three successive stages of mounting the candle and the candle adapter
  • FIG. 7 shows, still in a view like that of FIG.
  • a spherical bearing solution on the candle and the Figures 8, 9 and 10 show, in core in a view like that of Figure 2, three situations of relative positioning of the candle, the candle guide and the candle adapter, and, in fact, the outer shell and the outer casing.
  • the combustion chamber 30 with its axis 30a and comprising:
  • the fixing device 130 including the candle adapter 160 fixed to the outer casing 1 10, facing the second opening 1 10a also substantially transverse to the axis 30a, and the candle guide 190 maintained in contact with the outer ring 90 opposite the opening 90a,
  • the chimney 200 fixedly secured to the outer casing 1 1 and surrounding the orifice 90a, in the space between the outer casing 1 10 and the outer shell 90.
  • the candle adapter 160 which therefore extends out of the combustion chamber 30, is fixed (typically screwed) externally to the outer casing 1 10, around the opening 1 10a; see the bindings symbolized in
  • the candle adapter 16 comprises a cylindrical housing, a part of which is threaded and in which the candle is retained by screwing, the candle 150 passes freely (without screwing) through the 160 candle adapter, but is against against screwed (unscrewable) with the candle guide 190, where it passes through.
  • Screwing the candle in this environment seemed a priori inappropriate because of the proximity to the hottest areas and where the Thermal gradients are the strongest, and therefore a potential problem including unscrewing for replacement of this candle. Screwing the candle not directly on the chimney 200, but on (in) the candle guide 190 proved however to be the solution, in particular because of the already known movement capacity of the guide-candle relative to the chimney, and therefore to the outer shell, while having a relative movement capacity between the candle and the candle adapter.
  • FIG. 2 shows that, in order to be able to follow the quite varied movements of parts between them which may occur in the zone in question here, depending on the operating conditions (on the ground in flight, at different engine speeds ...), the spark plug 1 (supplied with electrical energy by the cable 152, FIG. 7) and the spark plug guide 190 are mounted with a certain freedom relative to the outer casing 1 10, following a direction 107 substantially radial to the axis of the second opening. This allows in particular to follow without undue stress the expansion between the outer ring 90 and the outer casing 1 10.
  • the combustion chamber is under pressure.
  • the candle adapter 160 In particular for a gas seal between the front and the back of the candle, inside the candle adapter 160, the latter has an inner rim 165 and the candle is provided with a flange 153 which surrounds locally (transverse to the axis 150a) and which comes, candle in place, in front of the inner rim 165.
  • At least one seal 170 is disposed in abutment between the rim 165 and the flange and preferably mounted compressed by this candle .
  • the flange 153 between two inner flanges 165a, 165b and provide two deformable seals 170a, 170b disposed on either side of the flange.
  • the two joints will be balanced in a way, like the candle, to transmit no radial force to the room assembly.
  • the candle adapter 160 has towards its (second) rear end air passage holes 179 between the interior and the outside of this candle adapter
  • the candle adapter 160 have along the axis 150a, first and second parts 160a, 160b linked to be mounted together and disassembled one. vis-à-vis the other substantially along the axis of the second opening 1 10a of the housing outside (and therefore along the axis 150a), preferably in a zone 167 surrounding the joint (s) and the flange 153.
  • the parts 160a, 160b will present means 169 providing a removable attachment between them, along the axis 150a. Threads on cylindrical portions of the two parts 160a, 160b would be particularly suitable.
  • the area of the joint (s) and the flange 153, and therefore the zone 167 be located radially outward (therefore behind) of the zone 171 where the candle is especially guided in the candle adapter 160.
  • the spark plug 150 and the spark plug adapter be provided with centerings 173, 175 for positioning the spark plug in the adapter substantially radially to the axis of the second opening 1 10a and to limit the vibrations of the spark plug Operating. Guides also facilitate the mounting of the candle in the adapter.
  • the centering means 173 on the candle will favorably a bead projecting around this candle. And it may prove useful that, with the candle mounted, candle adapter 160 has an internal section restriction forming the centering 175.
  • An advantage of 173,175 cylindrical centerings, coaxial with the axis of the second opening 1 10a, is to provide a relatively long bearing surface and to block the tilting of the candle and / or limit vibration.
  • a derivative solution shown in FIG. 7 may however consist in providing a spherical bearing 177 and in increasing the clearance transverse to the axis 150a between the spark plug and the spark plug adapter, in this case the upper or the rear portion 160b, in order to limit the hyperstatism and give more flexibility to the candle in case of tilting of the faired area 29 of the room.
  • a bead is preferably provided within reach spherical 177 on the candle and it will maintain a cylindrical centering 175 facing in the candle adapter 160. The risk of increased vibration of the candle around its spherical scope and acceleration of wear of the latter may be deemed unacceptable.
  • the length L1 be less than that L2 of the second part 160b (see Figure 7).
  • FIGS 8-10 three operating situations are illustrated, showing that there may be movements and / or relative efforts both axial (parallel to the axis 30a arrows 107) that radial (arrow 109).
  • FIGS. 8-9 show clearly the compression / expansion movements of the seal (s) 170 and of the tilting of the candle and of the spark plug 190 (Angle A) relative to the outer casing 1 10 and the outer shell 90.
  • the outer casing 1 10 has been assumed fixed (reference) and the outer shell 90 movable relative thereto. In practice both can be moved.
  • a constant is against that the front (or the nose) 15a of candle remains positioned flush with the inner face of the outer shell 90 and therefore the internal volume 29 of the combustion chamber.
  • the substantially axial sliding means 210 will preferably be placed on the internal face 191 a of the flange 190 a of the guide-plug (see FIG. ).
  • the flange 190a will evolve in a volume defined by the peripheral walls and respectively upper and lower of the chimney 200 (as already known).
  • anti-rotation means 180 such as a stop, ( Figure 3) limits the free rotation of the candle guide 190 relative to the chimney 200, about the axis 150a.
  • the abutment 180 may comprise a tab 181 traversing with a certain clearance a slot 183 of the chimney.
  • the nose 15a is then flush with the outer limit (wall 90) of the internal volume 290 of the combustion chamber, as desired and shown in FIG.
  • turbomachine 1 in particular turbojet or turboprop
  • the assembly 100 comprising the spark plug 150 and its radial fixing device 130
  • their introduction in FIG. 1 in substitution of the device 13, must to improve its operation as mentioned above.

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Abstract

Ensemble comprenant, sur une turbomachine : - une chambre de combustion (30) présentant un axe longitudinal (30a) et comportant : des parois longitudinales interne et externe (90) présentant une première ouverture (90a) sensiblement transversale audit axe (30a), un carter extérieur (110) présentant une seconde ouverture (110a) également sensiblement transversale audit axe (30a), - une bougie (150) de turbomachine, - un dispositif (130) de fixation radiale de la bougie (150), lequel dispositif (130) comprenant un adaptateur de bougie (160) fixé vers une première extrémité au carter extérieur (110), face à la seconde ouverture (110a) et à travers lesquels passe la bougie (150) considérée, et un guide-bougie (190) maintenu en contact avec la paroi longitudinale externe (90), en face de la première ouverture (90a) et à travers lesquels passe la bougie (150) pour déboucher dans la chambre de combustion (30), - la bougie (150) et le guide-bougie (190) présentent chacun un filetage (103, 105), les filetages (103, 105) étant vissés ensemble, en vue de stabiliser radialement à l'axe (30a) de la chambre de combustion (30) la bougie (150) par rapport à ladite paroi longitudinale externe (90), et - dans cet état, la bougie (150) et le guide-bougie (190) sont montés librement par rapport au carter extérieur (110), suivant une direction sensiblement radiale à l'axe de la seconde ouverture (110a).

Description

ENSEMBLE DE FIXATION D'UN BOUGIE DE TURBOMACHINE
La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz et en particulier l'agencement d'une bougie d'allumage dans une chambre de combustion.
Plus spécifiquement encore est concerné un ensemble comprenant une bougie de turbomachine et un dispositif de fixation radiale de cette bougie.
Ci-après, et sauf si le contexte le fait explicitement comprendre différemment, le terme « axial » se rapporte à l'axe longitudinal de la chambre de combustion considérée, « radial » se rapporte à ce qui est transversal à cet axe, de façon strictement perpendiculaire, ou non, « extérieur ou externe » se définit par rapport audit axe longitudinal vis-à- vis duquel ce qui est « intérieur ou interne » est radialement plus proche et est entouré (au moins en partie) par ce qui est donc « extérieur ou externe ».
La figure 1 , qui est extraite de FR-A-2900976, montre schématiquement une réalisation de l'art antérieur où l'on voit une (partie de) turbomachine 1 où, comme sur les figures suivantes, des gaz s'écoulent globalement et longitudinalement de l'amont (AM) vers l'aval (AV).
Cette (partie de) turbomachine 1 comprend :
- une chambre de combustion 3 présentant un axe longitudinal 3a et comportant :
-- un dispositif 5 d'injection d'air et de carburant centré sensiblement sur l'axe 3a de la chambre de combustion, lequel axe s'étend globalement le long de l'axe longitudinal 1 a de la turbomachine,
-- (au moins) une paroi longitudinale (appelée aussi virole) interne 7 et (au moins) une paroi longitudinale externe 9 présentant une première ouverture 9a sensiblement transversale à l'axe 3a, -- un carter extérieur 1 1 présentant une seconde ouverture 1 1 a également sensiblement transversale à l'axe 3a de la chambre de combustion,
- un dispositif 13 de fixation de la bougie 15, ce dispositif comprenant :
-- un adaptateur de bougie 16 fixé vers une première extrémité au carter extérieur 1 1 , face à la seconde ouverture 1 1 a et à travers lesquels passe la bougie 15,
-- un guide-bougie 19 maintenu en contact avec la paroi longitudinale externe 9, en face de la première ouverture 9a et à travers lesquels passe la bougie pour déboucher dans la chambre de combustion.
La chambre de combustion 3 est contenue dans un espace annulaire, formé par le carter extérieur 1 1 et la paroi annulaire interne 17, et concentrique aux arbres non représentés reliant le bloc turbine au bloc compresseur de la turbomachine. La (ou chaque) virole externe 9 est pourvue d'une bride, ou d'appui, 21 , de liaison avec le carter extérieur 1 1 , et la (ou chaque) virole interne 7 est pourvue d'une autre bride, ou d'appui, 23 de liaison (fixation) avec la paroi annulaire interne 17. L'espace défini radialement par les viroles interne 7 et externe 9 renferme en amont un fond de chambre transversal 25 associé à des carénages amont. Une pluralité d'injecteurs_de carburant réparties autour de l'axe longitudinal de la turbomachine (telle la canne 27 qui se termine suivant l'axe 3a) débouchent dans le volume intérieur 29 de la chambre de combustion à travers le fond de chambre 25. Des déflecteurs 31 forment un bol autour de chaque canne d'alimentation, dévient en direction radiale et tourbillonnante vers le carburant pulvérisé une partie de l'air qui a pénétré dans la zone carénée 29 et assurent ainsi la formation d'un mélange de carburant avec de l'air. Une zone de combustion primaire peut être formée en aval du fond de chambre dans laquelle le mélange est allumé par la bougie 15 ou plusieurs telles bougies réparties circonférentiellement. Une partie de l'air issu du compresseur et arrivant par le diffuseur 32 contourne le carénage formé par les viroles 7 et 9, est guidée dans les espaces annulaires 33 et 35, entre le volume intérieur 29 de la chambre 3 et les deux carters extérieur 1 1 et intérieur 17, respectivement, puis est introduit dans ce volume 29 en aval de la zone de combustion primaire (orifices 37,39) pour former le flux de gaz moteur qui est distribué vers le rotor de turbine aval non représenté.
Par l'orifice 1 1 a, la bougie 15 traverse le carter 1 1 et s'étend radialement vers l'intérieur jusqu'à sensiblement affleurer la virole externe 9 à travers l'orifice 9a. La bougie 15 est retenue sur carter extérieur 1 1 par l'adaptateur de bougie 16 qu'elle traverse.
L'adaptateur de bougie 16 comprend une partie tubulaire formant un logement cylindrique dont une partie est filetée et dans lequel la bougie est retenue par vissage. La partie tubulaire est associée à une plaque, perpendiculaire au logement cylindrique, qui est pourvue de perçages pour des organes de fixation de l'adaptateur au carter extérieur 1 1 . A son extrémité avant et en face de l'orifice 9a, la bougie 15 traverse le guide- bougie 19, lequel est monté dans une cheminée 20 entourant l'orifice 9a et fixement solidaire du carter extérieur 1 1 . Le guide-bougie forme une douille flottante qui cercle la bougie et comporte une bride 19a, radiale par rapport à celle-ci, montée coulissante entre des surfaces de guidage correspondantes solidaires de la cheminée 20 et qui assure l'étanchéité.
Comme cela est classique, la bougie 15 est refroidie par la circulation d'air dans l'espace 33, par impact d'air passant par le guide bougie 19 et par conduction sur la partie extérieure de l'adaptateur de bougie.
Notamment pour une bougie basse tension, les facteurs limitatifs de sa durée de vie sont principalement :
- un claquage de la bougie sous une pression élevée,
- une exposition de l'extrémité avant de la bougie où se produisent les étincelles à du carburant (ou autre fluide comme de l'eau), et
- une exposition de cette extrémité de bougie à de fortes températures (>600°C). Actuellement, la configuration de montage des bougies présentée ci- avant apparaît globalement satisfaisante.
On cherche toutefois à encore améliorer la durée de vie des bougies exposées à des flammes de plus en plus chaudes. Certes d'origine, au montage, l'avant (ou le nez) 15a de bougie est positionné affleurant à la paroi de la virole externe 9 appartenant au tube à flamme de la chambre de combustion. Cependant, en fonctionnement, ce tube à flamme se dilate ainsi que la bougie, amenant le nez de la bougie en dehors du film d'air protecteur et donc à pénétrer dans la flamme (gaz brûlants), aux conditions les plus sévères.
Dans ces conditions, un objectif est de favoriser le maintien d'un positionnement radial sensiblement constant du nez de la bougie par rapport à la veine du tube à flamme dans l'optique d'un gain en durée de vie de la bougie et d'un claquage de celle-ci (production d'étincelles) en toute circonstance, quelle que soit la phase de fonctionnement de la turbomachine.
Ainsi est-il proposé, pour tendre vers cet objectif, un ensemble du type général précité, comprenant une bougie de turbomachine et un dispositif de fixation radiale de cette bougie à une (partie de la) turbomachine, laquelle comprend :
- une chambre de combustion présentant un axe longitudinal et comportant :
-- un dispositif d'injection d'air et de carburant,
-- (au moins) une paroi longitudinale (ou virole) interne et (au moins) une paroi longitudinale externe présentant une première ouverture sensiblement transversale audit axe,
- un carter extérieur présentant une seconde ouverture également sensiblement transversale à l'axe de la chambre de combustion,
- le dispositif de fixation de la bougie, lequel dispositif comprend : ~ un adaptateur de bougie fixé vers une première extrémité au carter extérieur, face à la seconde ouverture et à travers lesquels passe la bougie considérée, et
-- un guide-bougie maintenu en contact avec la paroi longitudinale externe, en face de la première ouverture et à travers lesquels passe la bougie pour déboucher dans la chambre de combustion,
cet ensemble étant caractérisé en ce que la bougie et le guide-bougie présentent chacun un filetage, les filetages étant vissés ensemble, en vue de stabiliser radialement à l'axe de la chambre de combustion la bougie, par rapport à ladite paroi longitudinale externe.
En positionnant radialement le nez de bougie de manière optimale par rapport au tube à flamme, et donc à la virole externe, on va pouvoir améliorer la capacité d'allumage de la turbomachine au sol et en vol.
Afin de favoriser une liberté de dilatation de la chambre par rapport au carter extérieur, il est par ailleurs conseillé que la bougie et le guide- bougie soient, ensemble, montés librement par rapport à ce carter, suivant une direction sensiblement radiale à l'axe de la seconde ouverture.
Une autre difficulté peut aussi naître du frottement du guide-bougie contre les parois du bossage annulaire de la paroi longitudinale externe qui le reçoit.
De fait, dans certaines conditions de fonctionnement de la turbomachine, la bougie et le guide-bougie sont sollicités radialement en direction du carter extérieur qui n'est pas sollicité de la même manière. Un frottement du guide-bougie contre la paroi concernée du bossage annulaire de la paroi longitudinale externe peut alors survenir. Afin donc de faciliter le glissement, en particulier sensiblement axial, du guide-bougie plus généralement dans les phases de dilatation radiale et/ou axiale des parois de l'enceinte intérieure de la chambre de combustion par rapport au carter, phases au cours desquelles la bougie peut exercer un effort radial sur la virole externe, il est proposé qu'entre le guide-bougie et la paroi concernée du bossage annulaire de la paroi longitudinale externe soit interposé un moyen de glissement sensiblement axial. A cette fin, des roulements à billes peuvent être prévus ; Autre solution possible de moyen de glissement : un choix des matériaux en contact favorisant le glissement afin de réduire le coefficient de frottement entre eux (tel un revêtement à base céramique, par exemple constitué d'un matériau de type sol-gel, ou carbone / graphite à propriété autolubrifiante).
Lors du fonctionnement de la turbomachine, il faut par ailleurs que l'espace sous le carter extérieur soit isolé de façon étanche aux gaz de zones radialement plus extérieures.
II importe donc de favoriser une étanchéité entre le nez de la bougie et son extrémité opposée.
C'est ainsi qu'il est conseillé que, dans l'adaptateur de bougie, la bougie soit munie d'une collerette qui l'entoure localement et qui est en liaison (de préférence par compression) avec au moins un joint disposé en appui entre un rebord intérieur de l'adaptateur de bougie et la collerette.
Pour optimiser cette étanchéité, il est même proposé que soient prévus plusieurs joints comprenant des premier et second joints déformables disposés de part et d'autre de la collerette pour une étanchéité de part et d'autre de cette collerette : lorsque radialement un joint se détendra, l'autre joint sera comprimé. On conseille que les deux joints soient équilibrés de manière à ne transmettre (quasiment) aucun effort radial à la chambre, au montage.
Pour permettre de refroidir la bougie par l'extérieur, et diluer d'éventuelles fuites mineures à l'endroit de la collerette de la bougie, il est par ailleurs proposé que l'adaptateur de bougie présente, vers une seconde extrémité opposée à la première extrémité, des trous d'écope pour un passage d'air entre l'intérieur et l'extérieur de l'adaptateur de bougie
Pour par ailleurs favoriser tant le montage que le démontage de l'adaptateur de bougie, notamment pour pouvoir remplacer la bougie, il est proposé que cet adaptateur de bougie présente une première et une seconde parties liées pour être montées ensemble et démontées l'une vis- à-vis de l'autre sensiblement parallèlement à l'axe de la seconde ouverture du carter extérieur, de préférence en une zone entourant le(s) joint(s) où, de préférence, s'étendra la collerette si elle est prévue.
Deux autres exigences ont aussi été prises en compte :
- un positionnement maîtrisé de la bougie dans l'adaptateur de bougie, suivant l'axe longitudinal de cette bougie qui est son axe de montage/démontage, évitant ainsi d'impacter la durée de vie de la bougie ou d'altérer celle de l'adaptateur,
- et une limitation des vibrations de la bougie lorsque la turbomachine fonctionne.
Ces prises en compte se matérialisent par le fait que la bougie et l'adaptateur de bougie seront de préférence munis de centrages comprenant localement un bourrelet autour de la bougie, ce bourrelet étant périphériquement plus proche de la face interne en regard de l'adaptateur de bougie que ne le sont l'une de l'autre, ailleurs suivant l'axe longitudinal de la bougie, les faces en regard de la bougie et de l'adaptateur. Cette solution, préférée à celle, possible, d'un bourrelet (ou toute autre restriction locale de section interne) en face interne de l'adaptateur, est prévue pour ne pas impacter les opérations de montage/démontage des bougies.
Une solution particulière de réalisation de ces centrages consiste à ne pas utiliser une portée cylindrique, mais une portée sphérique et à augmenter le jeu entre la bougie et, périphériquement, la face interne de la partie extrême arrière (extérieure) de l'adaptateur de bougie, afin de limiter l'hyperstatisme et donner davantage de souplesse à la bougie en cas de basculement des viroles, donc de la zone de combustion. Un risque de cette solution réside toutefois dans une augmentation possible des vibrations de la bougie autour de sa portée sphérique et une accélération de l'usure de cette dernière. Or, bien que la bougie soit un consommable qu'il faut changer pour des contraintes de sécurité de productions d'étincelles, on cherche typiquement à ne pas créer de sources préidentifiées de problèmes potentiels. Aussi une solution de centrage par portée cylindrique n'est-elle pas exclue.
On notera encore qu'outre cet ensemble « bougie de turbomachine et dispositif de fixation radiale de la bougie », l'invention concerne aussi une turbomachine comportant cet ensemble, y compris la chambre de combustion et le carter extérieur.
En liaison avec ce qui précède, on va maintenant revenir plus en détail sur différents aspects de ce qui a été présenté ci-avant, ceci en référence aux dessins annexés où: la figure 1 montre en coupe longitudinale une partie d'une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz selon un exemple de l'art antérieur, la figure 2 montre, suivant la même coupe mais en vue agrandie et plus localement (zone II), la bougie et son environnement de montage (dans une version correspondant, comme sur les figures suivantes, à une partie au moins des solutions actualisées ici présentées), la figure 3 montre, en vue de face, un système anti-rotation appliqué au guide-bougie, les figures 4,5 et 6 montrent, dans une vue comme celle de la figure 2, trois étapes successives de montage de la bougie et de l'adaptateur de bougie, la figure 7 montre, toujours dans une vue comme celle de la figure 2, une solution de portée sphérique sur la bougie, et les figures 8,9 et 10 montrent, encore dans une vue comme celle de la figure 2, trois situations de positionnement relatif de la bougie, du guide-bougie et de l'adaptateur de bougie, ainsi que, de fait, de la virole externe et du carter extérieur.
Les figures 2 et suivantes constituent donc une version actualisée rattachée à l'invention objet de la revendication 1 .
Sur ces figures, les pièces ou éléments qui se correspondent ont été référencées avec un « 0 » supplémentaire. La bougie 15 devient donc 150.
Ainsi, notamment sur la figure 2 on voit l'ensemble 100 revendiqué qui comprend la bougie 150 de turbomachine et le dispositif 130 de fixation radiale de la bougie. Sur cette figure, ou dans son environnement sur la turbomachine en supposant la zone II de la figure 1 remplacée (à l'échelle près) par l'illustration de la figure 2, on retrouve :
- la chambre de combustion 30 avec son axe 30a et comportant :
- la paroi longitudinale ou virole externe 90 et la paroi longitudinale ou virole interne, qui délimitent entre elles, radialement à l'axe 30a, le volume intérieur 290 de la chambre de combustion,
- la première ouverture 90a de la virole externe 90,
- le carter extérieur 1 10,
- le dispositif de fixation 130 incluant l'adaptateur 160 de bougie fixé au carter extérieur 1 10, face à la seconde ouverture 1 10a également sensiblement transversale à l'axe 30a, et le guide-bougie 190 maintenu en contact avec la virole externe 90, en face de l'ouverture 90a,
- la cheminée 200 fixement solidaire du carter extérieur 1 1 et entourant l'orifice 90a, dans l'espace intermédiaire entre le carter extérieur 1 10 et la virole externe 90.
- la bougie 150 qui passe à travers les ouvertures 90a, 1 10a, l'adaptateur
160 de bougie, la cheminée 200 et le guide-bougie 190, pour déboucher dans l'espace 290.
L'adaptateur 160 de bougie, qui donc s'étend hors la chambre de combustion 30, est fixé (typiquement vissé) par l'extérieur au carter extérieur 1 10, autour de l'ouverture 1 10a ; voir les fixations symbolisées en
161 figure 2. Un joint 163 est interposé entre eux.
Contrairement à la solution décrite en liaison avec la figure 1 , où l'adaptateur de bougie 16 comprend un logement cylindrique dont une partie est filetée et dans lequel la bougie est retenue par vissage, la bougie 150 passe librement (sans vissage) à travers l'adaptateur 160 de bougie, mais est par contre vissée (de façon dévissable) avec le guide-bougie 190, là où elle le traverse.
Visser la bougie dans cet environnement semblait a priori non approprié du fait de la proximité avec les zones les plus chaudes et où les gradients thermiques sont les plus forts, et donc un problème potentiel notamment de dévissage pour remplacement de cette bougie. Visser la bougie non pas directement sur la cheminée 200, mais sur (dans) le guide- bougie 190 s'est toutefois avéré être la solution, notamment du fait de la capacité de mouvement déjà connue du guide-bougie par rapport à la cheminée, et donc à la virole externe, tout en ayant une capacité de mouvement relatif entre la bougie et l'adaptateur de bougie.
Ainsi, la solution préférée de la figure 2 passe par :
- un montage libre de la bougie à travers l'adaptateur de bougie 160, étant précisé que ce montage est toutefois guidé transversalement à l'axe 150a de montage/démontage de cette bougie (voir ci-après deux solutions possibles),
- et des filetages intérieur et extérieur 103,105 respectivement dans le guide-bougie (taraudage de la bride 190a) et autour de la bougie, un peu en arrière de son nez 151 qui débouche donc dans le volume 290 et porte l'(les) électrode(s), ces filetages étant vissés ensemble pour stabiliser sensiblement radialement à l'axe 30a la bougie, par rapport à la paroi longitudinale externe 90.
Ainsi, on peut, en fonctionnement, viser une position radiale sensiblement constante du nez de la bougie par rapport à et à raz de cette virole externe 90, ce que ne permettait pas la solution de la figure 1 avec le vissage sur l'adaptateur de bougie.
On voit par ailleurs figure 2, et surtout dans les situations simulées des figures 8-10, que, pour pouvoir suivre les mouvements assez variés de pièces entre elles qui peuvent survenir dans la zone ici concernée, en fonction des conditions de fonctionnement (au sol, en vol, à différents régimes moteur...), la bougie 1 (alimentée en énergie électrique par le câble 152 ; figure 7) et le guide bougie 190 sont montés avec une certaine liberté par rapport au carter extérieur 1 10, suivant une direction 107 sensiblement radiale à l'axe de la seconde ouverture. Ceci permet en particulier de suivre sans contrainte excessive la dilatation entre la virole externe 90 et le carter extérieur 1 10.
En fonctionnement, la chambre de combustion est sous pression. En particulier pour une étanchéité au gaz entre l'avant et l'arrière de la bougie, à l'intérieur de l'adaptateur de bougie 160, ce dernier présente un rebord intérieur 165 et la bougie est munie d'une collerette 153 qui l'entoure localement (transversalement à l'axe 150a) et qui vient, bougie en place, en face du rebord intérieur 165. Au moins un joint 170 est disposé en appui entre le rebord 165 et la collerette et de préférence monté comprimé par cette bougie.
Pour parfaire l'étanchéité et le contrôle des mouvements autorisés de la bougie, on préférera monter la collerette 153 entre deux rebords intérieurs 165a, 165b et prévoir deux joints déformables 170a, 170b disposés de part et d'autre de la collerette. Ainsi lorsque, du fait d'un mouvement relatif, suivant l'axe 150a, entre la bougie et l'adaptateur de bougie 160, et qu'en conséquence un joint se détendra, l'autre joint sera comprimé, ce qui permettra d'assurer l'étanchéité en toute circonstance. Favorablement, les deux joints seront équilibrés de manière, comme la bougie, à ne transmettre aucun effort radial à la chambre au montage.
Malgré la collerette 153 et le(s) joint(s) 170, des fuites mineures autour de la collerette peuvent survenir. Aussi, pour pallier à cela et permettre de refroidir la bougie par le haut (arrière), il est proposé que l'adaptateur de bougie 160 présente vers son (seconde) extrémité arrière des trous 179 de passage d'air entre l'intérieur et l'extérieur de cet adaptateur de bougie
Pour faciliter notamment les montages/démontages de la bougie, on recommande par ailleurs que l'adaptateur de bougie 160 présente le long de l'axe 150a, une première et une seconde parties 160a, 160b liées pour être montées ensemble et démontées l'une vis-à-vis de l'autre sensiblement suivant l'axe de la seconde ouverture 1 10a du carter extérieur (et donc suivant l'axe 150a), de préférence en une zone 167 entourant le(s) joint(s) et la collerette 153.
Favorablement, à l'endroit de cette zone les parties 160a, 160b présenteront des moyens 169 assurant une fixation amovible entre eux, suivant l'axe 150a. Des filetages sur des portions cylindriques des deux parties 160a, 160b seraient en particulier appropriés.
On préférera que la zone du(des) joint(s) et de la collerette 153, et donc la zone 167, soi(en)t située(s) radialement à l'extérieur (donc en arrière) de la zone 171 où la bougie est en particulier guidée dans l'adaptateur de bougie 160.
A ce sujet, on préférera que la bougie 150 et l'adaptateur de bougie soient munis de centrages 173,175 permettant de positionner la bougie dans l'adaptateur sensiblement radialement à l'axe de la seconde ouverture 1 10a et de limiter les vibrations de la bougie en fonctionnement. Des guidages facilitent aussi le montage de la bougie dans l'adaptateur.
La bougie étant « un consommable », à changer périodiquement, le moyen de centrage 173 sur la bougie sera favorablement un bourrelet en saillie autour de cette bougie. Et il pourra s'avérer utile qu'en regard, bougie montée, l'adaptateur de bougie 160 présente une restriction interne de section formant le centrage 175.
Un avantage de centrages 173,175 cylindriques, coaxiaux à l'axe de la seconde ouverture 1 10a, est de pouvoir assurer une relativement longue surface de portée et de bloquer le basculement de la bougie et/ou en limiter les vibrations.
Une solution dérivée montrée figure 7 peut toutefois consister à prévoir une portée sphérique 177 et à augmenter le jeu transversal à l'axe 150a entre la bougie et l'adaptateur de bougie, en l'espèce la partie supérieure ou arrière 160b, afin de limiter l'hyperstatisme et donner davantage de souplesse à la bougie en cas de basculement de la zone carénée 29 de la chambre. A nouveau dans la mesure où la bougie est « un consommable », on prévoira de préférence un bourrelet à portée sphérique 177 sur la bougie et on conservera un centrage 175 cylindrique en regard dans l'adaptateur de bougie 160. Le risque d'augmentation des vibrations de la bougie autour de sa portée sphérique et d'accélération de l'usure de cette dernière pourra être jugé rédhibitoire.
Pour agrandir la zone de circulation d'air (trous 179) mais aussi rapprocher axialement les zones de portée et de collerette, dans un souci de compacité, il est conseillé que, le long de l'axe 150a, la longueur L1 soit inférieure à celle L2 de la seconde partie 160b (voir figure 7).
Figures 8-10, trois situations de fonctionnement sont illustrées, montrant qu'il peut y avoir des mouvements et/ou efforts relatifs tant axiaux (parallèles à l'axe 30a ; flèches 107) que radiaux (flèche 109).
Par rapport à une position de référence supposée être celle de la figure 8, on voit bien figures 8-9, les mouvements de compression/dilation du(des) joint(s) 170 et de basculement de la bougie et du guide-bougie 190 (angle A) par rapport au carter extérieur 1 10 et à la virole externe 90. On aura remarqué que le carter extérieur 1 10 a été supposé fixe (référence) et la virole externe 90 mobile par rapport à lui. En pratique les deux peuvent être amenés à bouger.
Un constante est par contre que l'avant (ou le nez) 15a de bougie demeure positionné affleurant à la face interne de la virole externe 90 et donc au volume intérieur 29 de la chambre de combustion.
En relation avec point et, comme déjà expliqué, afin de limiter autant que possible les efforts que la bougie peut exercer sur la virole externe dans certaines conditions, notamment dans les phases de dilatation radiale et/ou axiale des parois de l'enceinte intérieure de la chambre de combustion par rapport au carter, il est proposé qu'entre le guide-bougie 190 et la paroi 201 (voir figure 2) de la cheminée (ou bossage annulaire) 200 de la paroi longitudinale externe 90 soit interposé un moyen 210 de glissement sensiblement axial (donc sensiblement parallèlement à l'axe 30a), tel des roulements à billes. Les efforts potentiellement critiques tendant, hors dilatation axiale, surtout à rapprocher radialement les parois 90 et 1 10, on placera le moyen 210 de glissement sensiblement axial de préférence sur la face interne 191 a de la bride 190a du guide-bougie (voir figure 2).
Ainsi, on favorisera au mieux le glissement axial du guide-bougie
190 dans les phases de dilatation radiale et axiale du volume 290 par rapport au carter où la bougie peut exercer un effort radial sur la (les) viroles.
Pour son maintien et son guidage, la bride 190a évoluera dans un volume défini par les parois périphériques et respectivement supérieure et inférieure de la cheminée 200 (comme déjà connu).
D'autant plus si des moyens 210 de glissement, tels des roulements à billes ou un/des matériaux de contact à faible coefficient de frottement sont prévus, il faudra éviter que les vissages/dévissages de la bougie, via les filets 103,105, puissent être délicats, le guide-bougie 190 risquant de tourner sur lui-même.
Aussi est-il prévu qu'un moyen anti-rotation 180, tel une butée, (figure 3) limite la libre rotation du guide-bougie 190 par rapport à la cheminée 200, autour de l'axe 150a.
La butée 180 pourra comprendre une patte 181 traversant avec un certain jeu une fente 183 de la cheminée.
Avant de présenter rapidement la manière de monter la bougie et l'adaptateur de bougie 160, on relèvera parmi les apports de la solution ici présentée, les possibilités offertes :
- de diminuer échauffement du nez de la bougie,
- d'augmenter la durée de vie de la bougie,
- de favoriser la capacité d'allumage au sol et en vol.
Concernant ce montage, on pourra procéder comme suit, en référence aux figures 4-6, étant supposé le guide-bougie 190 avec son taraudage fileté 103 déjà en place dans la cheminée 200 : - d'abord, mise en place de la première partie (radialement intérieure) 160a de l'adaptateur de bougie sur le carter externe 1 10 : l'adaptateur est fixé par les vis 161 sur une platine du carter, avec interposition du joint 163 ; figure 4,
- ensuite mise en place, dans la zone de centrage 167, du joint radialement intérieur 170b puis, par-dessus, de la collerette 153 de la bougie, puis vissage du nez de la bougie dans l'alésage fileté du guide-bougie. La patte anti-rotation du guide-bougie agit. Favorablement cette opération permettra également à la collerette 153 de comprimer légèrement le joint 170b pour favoriser l'étanchéité; figure 5,
- mise en place, dans la zone de centrage 167, du second joint 170a pardessus la collerette 153 et vissage ensemble, autour de la bougie, des deux parties 160a, 160b de l'adaptateur. Cette opération permet également à la seconde partie 160b de comprimer légèrement, dans l'axe 150a, le joint 170a, pour l'étanchéité; figure 6.
En extrémité, le nez 15a affleure alors la limite extérieure (paroi 90) du volume intérieur 290 de la chambre de combustion, comme souhaité et montré figure 6.
Pour ce qui concerne l'application à une turbomachine 1 (en particulier turboréacteur ou turbopropulseur) de l'ensemble 100 comprenant la bougie 150 et son dispositif 130 de fixation radiale, leur mise en place en figure 1 , en substitution du dispositif 13, doit permettre d'en améliorer le fonctionnement comme mentionné ci-avant.

Claims

REVENDICATIONS
1. Ensemble comprenant, sur une turbomachine :
- une chambre (30) de combustion présentant un axe longitudinal (30a) et comportant :
-- un dispositif (5) d'injection d'air et de carburant,
-- une paroi longitudinale interne (7) et une paroi longitudinale externe (90) présentant une première ouverture (90a) sensiblement transversale audit axe,
-- un carter extérieur (1 10) présentant une seconde ouverture (1 10a) également sensiblement transversale à l'axe de la chambre de combustion,
- une bougie de turbomachine,
- un dispositif (130) de fixation radiale de la bougie (150) à la turbomachine, lequel dispositif comprend :
-- un adaptateur de bougie (160) fixé vers une première extrémité au carter extérieur, face à la seconde ouverture et à travers lesquels passe la bougie considérée, et
-- un guide-bougie (190) maintenu en contact avec la paroi longitudinale externe, en face de la première ouverture (90a) et à travers lesquels passe la bougie pour déboucher dans la chambre de combustion (30),
cet ensemble étant caractérisé en ce que :
- la bougie (150) et le guide-bougie (190) présentent chacun un filetage (103,105), les filetages étant vissés ensemble, en vue de stabiliser radialement à l'axe (30a) de la chambre de combustion la bougie par rapport à ladite paroi longitudinale externe (90), et
- dans cet état, la bougie et le guide-bougie (190) sont montés librement par rapport au carter extérieur (1 10), suivant une direction sensiblement radiale à l'axe de la seconde ouverture (1 10a).
2. Ensemble selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le guide- bougie est monté dans un logement situé entre la paroi longitudinale externe (90) et le carter extérieur (1 10) et entre le guide-bougie (190) et la paroi concernée du bossage annulaire (200) de la paroi longitudinale externe est interposé un moyen (210) de glissement sensiblement axial, tel des roulements à billes.
3. Ensemble selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'adaptateur de bougie (160) présente vers une seconde extrémité opposée à la première extrémité des trous (179) de passage d'air entre l'intérieur et l'extérieur de l'adaptateur de bougie.
4. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, dans l'adaptateur (160) de bougie, la bougie est munie d'une collerette
(153) qui l'entoure localement et est en liaison avec au moins un joint (170 ;170a, 170b) disposé en appui entre un rebord intérieur (165 ;165a, 165b) de l'adaptateur de bougie et la collerette.
5. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que des premier et second joints déformables (170a, 170b) sont disposés de part et d'autre de la collerette, pour une étanchéité à l'air, de part et d'autre de ladite collerette.
6. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'adaptateur de bougie présente une première et une seconde parties (160a, 160b) liées pour être montées ensemble, par exemple par vissage, et démontées l'une vis-à-vis de l'autre sensiblement parallèlement à l'axe de la seconde ouverture (1 10a) du carter extérieur.
7. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la bougie et l'adaptateur de bougie sont munis entre eux de centrages (173,175, 177) comprenant un bourrelet (173,177) autour de la bougie.
8 Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que les centrages (173,175, 177) comprennent une portée sphérique (177) autour de la bougie.
9. Turbomachine comprenant l'ensemble selon l'une des revendications 1 à 8, y compris la chambre de combustion (30) avec le carter extérieur (90).
PCT/FR2014/053037 2013-12-23 2014-11-26 Ensemble de fixation d'un bougie de turbomachine Ceased WO2015097355A1 (fr)

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