WO2017089677A1 - Module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion - Google Patents

Module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion Download PDF

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WO2017089677A1
WO2017089677A1 PCT/FR2016/052972 FR2016052972W WO2017089677A1 WO 2017089677 A1 WO2017089677 A1 WO 2017089677A1 FR 2016052972 W FR2016052972 W FR 2016052972W WO 2017089677 A1 WO2017089677 A1 WO 2017089677A1
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housing
tongue
ferrule
groove
combustion chamber
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Inventor
Marc Bernard BLANRUE
Jean-François Bernard ADNOT
Original Assignee
Safran Aircraft Engines
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Publication date
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/243—Flange connections; Bolting arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/26—Double casings; Measures against temperature strain in casings
    • F01D25/265—Vertically split casings; Clamping arrangements therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/60—Assembly methods
    • F05D2230/64—Assembly methods using positioning or alignment devices for aligning or centring, e.g. pins

Definitions

  • the present invention relates in particular to the field of gas turbine engine combustion chamber tests. It relates to a turbomachine module or combustion chamber test bench and aims more particularly the mounting of ferrules on the module.
  • test bench is an installation in which the engines or their components, in this case a combustion chamber, are subjected to tests aimed at measuring their performance.
  • patent FR 2 995 996 in the name of the present applicant for example, is described a device for measuring operating parameters of a gas turbine engine combustion chamber mounted on a test bench.
  • FIG. 1 shows a combustion chamber 10 mounted on a test bench 1.
  • the combustion chamber is mounted on a fixed support which comprises suitable air and fuel supply ducts and that it is not necessary to describe more completely in the context of the present invention.
  • the annular chamber 10 is mounted between an inner housing and an outer housing simulating the space in which it is housed in the actual engine.
  • the outer casing 3 is itself fixed upstream to the structure of the bench.
  • the casing 3 is extended downstream by a ferrule 5 serving among other functions of guiding the gas flows from the combustion chamber.
  • FIG. 2 shows how the ferrule 5 is commonly connected to the casing 3 by means of a screw connection 7 between a radial flange 31 downstream of the outer casing 3 and the upstream transverse face of the ferrule 5.
  • the centering of the collar relative to the housing is provided by a centering lug 51 integral with one of the two parts, here the ferrule, and resting on a surface of the workpiece. vis-à-vis, here the radially outer face of the flange 31.
  • a shim 8 is disposed between the two parts.
  • the ferrule 5 is for example maintained at less than 120 ° C. Or the chamber outer casing 10 reached during the tests a temperature of about 650 ° C. These temperatures give rise to a large difference in expansion between the two parts which urges the screw connection in shear. As indicated by arrows in FIG. 2, the lengths of these arrows show an expansion of 0.1 mm for ferrule 5 while it is 1.2 mm for crankcase 3.
  • the subject of the invention is a means of guaranteeing a good centering between the two parts, made of steel for example, as well as operation, that is to say hot, that assembly, that is to say cold, without shear stress parts and binding by the screws.
  • the invention relates to a turbomachine module or combustion chamber test bench, comprising an annular outer casing axis A of revolution, inside which is housed a combustion chamber, and a ferrule downstream of the housing, the ferrule being fixed to said housing by a connection comprising a radial flange integral with the housing or the shell, an annular groove opening axially being formed in the radial flange and an axial tongue integral with the shell or housing, the tongue being housed in the groove.
  • the module is characterized in that the tongue and the annular groove are arranged relative to one another so that, when they are mounted, they are in radial contact and centered with respect to one another.
  • the two outer diameters of the groove and the tongue are equal to ensure the centering of the shell relative to the housing , mounting, by radial contact between the tongue and the groove.
  • the two inner diameters of the groove and the tongue are configured to be equal in operation so as to ensure the centering of the collar relative to the housing in operation by radial contact between the tongue and the groove.
  • the centering is ensured both during assembly and operation thanks to two different radial contacts. More particularly, the width of the groove and the width of the tongue are chosen such that their difference is equal to the increase in radius resulting from the expansion of the housing with its flange and the ferrule between the mounting and the operation, of such so that the ferrule is centered on the casing in operation by radial contact between the tongue and the groove.
  • the ferrule is fixed to the housing by means of screws passing through the flange through holes in the flange, and the diameter of said orifices is sufficient to allow expansion of the housing without shear stress on the screws.
  • the housing is integral with the tongue and the flange is integral with the ferrule, the two inner diameters of the groove and the tongue being equal so as to ensure the centering of the collar relative to the housing, in the assembly, by radial contact between the tongue and the groove.
  • the two outer diameters of the groove and tongue are configured to be equal in operation to ensure the centering of the ferrule relative to the housing in operation by radial contact between the tongue and the groove.
  • the width of the groove and the width of the tongue are chosen such that their difference is equal to the increase in radius resulting from the expansion of the housing and the ferrule between the mounting and the operation of the bench, in such a way that the ferrule is centered on the housing in operation of the bench by radial contact between the tongue and the groove.
  • the ferrule is fixed to the housing by means of screws passing through orifices of the flange, the diameter of said orifices being sufficient to allow expansion of the housing without shear stress on the screws.
  • the invention provides:
  • FIG. 1 shows in half axial section a combustion chamber mounted on a test bench
  • FIG. 2 is a view on a larger scale of detail I 2 of FIG. 1 and shows the connection of the prior art between the outer casing of the combustion chamber of FIG. 1 and the ferrule mounted downstream of FIG. this one ;
  • FIG. 3 shows the connection according to the invention between the casing of the combustion chamber mounted on the test bench and the ferrule fixed downstream of the outer casing;
  • FIG. 4 shows the connection according to the invention between the casing of the combustion chamber mounted on the test bench and the shell attached downstream of the outer casing with other references;
  • FIG 3 shows the connection between the housing and the modified ferrule compared to that of Figure 2, according to the invention.
  • This connection is represented at the assembly, that is to say at room temperature before any test.
  • the radial flange now bears the reference 131, the outer casing of the combustion chamber of the test bench, the reference 13 and the ferrule reference 15.
  • a groove 132 has been machined in the flange 131 on the face located on the side of the ferrule.
  • the ferrule 15 comprises an annular tongue 151 which is engaged in the groove 132.
  • the outer diameter of the tongue 151 is equal to that of the outer diameter of the groove 132.
  • the two parts 13 and 15 are held together by means of screws 17 which pass through the flange 131 through orifices 134 and are screwed onto the upstream face of the shell in holes 154 suitably tapped.
  • a wedge 18 of suitable material forms an interface between the housing and the ferrule. Sealing can be achieved by metal C-rings on either side of the shim 18.
  • the hot centering is calculated with respect to the differences in expansion between the two parts.
  • the width of the groove 132 has been determined in such a way that during the tests at the temperature of operation of the combustion chamber, its inner blank comes to the radial contact of the inner face of the tongue 151 without there being a clamping between the parts. It follows that the centering of the shell relative to the housing is provided hot without the parts being stressed in shear.
  • this system allows the ferrule 15 to be centered with respect to the outer chamber casing 13 at two distinct operating points: at cold fitting (FIG. 4) and during hot running (FIG. 5); all in a very restricted environment. It also allows a significant gain in mass due to a decrease in the thickness of the flanges, and the reduction of the diameter of the screws.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Testing Of Engines (AREA)
  • Portable Nailing Machines And Staplers (AREA)

Abstract

La présente invention porte sur un module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion (10), comprenant un carter extérieur (13) annulaire, à l'intérieur duquel est logée une chambre de combustion, et une virole (15) en aval du carter, la virole étant fixée audit carter par une liaison comprenant une bride radiale solidaire du carter ou de la virole, une gorge annulaire étant ménagée dans la bride radiale et une languette axiale solidaire de la virole ou du carter, la languette étant logée dans la gorge caractérisé par le fait que la languette et la gorge annulaire sont agencées l'une par rapport à l'autre de manière à ce que, au montage elles sont en contact et centrées l'une par rapport à l'autre.

Description

Module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion
Domaine de l'invention
La présente invention se rapporte notamment au domaine des essais de chambre de combustion de moteur à turbine à gaz. Elle concerne un module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion et vise plus particulièrement le montage de viroles sur le module.
Etat de la technique
L'état de la technique comprend notamment les documents FR-A1-2 228
967 et FR-A5-2 136 773.
Un banc d'essai est une installation dans laquelle les moteurs ou leurs composants, ici une chambre de combustion, sont soumis à des tests visant à en mesurer les performances. Dans le brevet FR 2.995.996 au nom du présent déposant, par exemple, est décrit un dispositif destiné à mesurer des paramètres de fonctionnement d'une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz montée sur un banc d'essai.
La figure 1 représente une chambre de combustion 10 montée sur un banc d'essai 1. La chambre de combustion est montée sur un support fixe qui comprend des conduits d'alimentation en air et en carburant appropriés et qu'il n'est pas nécessaire de décrire plus complètement dans le cadre de la présente invention. La chambre annulaire 10 est montée entre un carter intérieur et un carter extérieur simulant l'espace dans lequel elle est logée dans le moteur réel. Le carter extérieur 3 est lui-même fixé en amont à la structure du banc. Le carter 3 est prolongé en aval par une virole 5 servant entre autres fonctions de guidage aux flux gazeux issus de la chambre de combustion. La figure 2, montre comment la virole 5 est communément reliée au carter 3 au moyen d'une liaison par vis 7 entre une bride radiale 31 en aval du carter extérieur 3 et la face transversale amont de la virole 5. Le centrage de la virole par rapport au carter est assuré par une patte de centrage 51 solidaire de l'une des deux pièces, ici la virole, et restant en appui sur une surface de la pièce en vis-à-vis, ici la face radialement extérieure de la bride 31. Une cale 8 est disposée entre les deux pièces.
Dans le cadre des essais de chambre de combustion, il est nécessaire de refroidir fortement toutes les viroles se trouvant en aval de la chambre et en particulier la virole 5.
La virole 5 est par exemple maintenue à moins de 120°C. Or le carter 3 extérieur de chambre 10 atteint au cours des essais une température d'environ 650°C. Ces températures donnent lieu à une forte différence de dilatation entre les deux pièces qui sollicite en cisaillement la liaison par vis. Comme cela est indiqué par des flèches sur la figure 2, les longueurs de ces flèches montrent une dilatation de 0,1 mm pour la virole 5 alors qu'elle est de 1,2 mm pour le carter 3.
Par ailleurs, il est absolument nécessaire de garantir un bon centrage des deux pièces au montage comme en fonctionnement. C'est ainsi que, lorsque la virole 5 est centrée sur le carter 3, au montage par le contact de la patte de centrage 51 sur la bride 31, il s'ensuit en fonctionnement une forte sollicitation de la patte de centrage 51. Ces contraintes peuvent conduire à des criques voire à une rupture de la pièce.
Une solution serait d'épaissir les carters et d'utiliser des vis à très grand diamètres qui supporteraient les efforts de cisaillement. Cette solution serait cependant très encombrante radialement, ce qui n'est pas souhaité. Pour des raisons connues, nous ne souhaitons également pas augmenter la masse.
L'invention a pour objet un moyen permettant de garantir un bon centrage entre les deux pièces, en acier par exemple, aussi bien en fonctionnement, c'est-à-dire à chaud, qu'au montage, c'est-à-dire à froid, sans solliciter en cisaillement les pièces et la liaison par les vis.
Exposé de l'invention
C'est ainsi que l'invention porte sur module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion, comprenant un carter extérieur annulaire d'axe A de révolution, à l'intérieur duquel est logée une chambre de combustion, et une virole en aval du carter, la virole étant fixée audit carter par une liaison comprenant une bride radiale solidaire du carter ou de la virole, une gorge annulaire débouchant axialement étant ménagée dans la bride radiale et une languette axiale solidaire de la virole ou du carter, la languette étant logée dans la gorge. Le module est caractérisé par le fait que la languette et la gorge annulaire sont agencées l'une par rapport à l'autre de manière à ce que, au montage elles sont en contact radial et centrées l'une par rapport à l'autre.
Selon un premier mode de réalisation dans lequel le carter est solidaire de la bride et la languette est solidaire de la virole, les deux diamètres extérieurs de la gorge et de la languette sont égaux de façon à assurer le centrage de la virole par rapport au carter, au montage, par contact radial entre la languette et la gorge.
Avantageusement, les deux diamètres intérieurs de la gorge et de la languette sont configurés pour être égaux en fonctionnement de façon à assurer le centrage de la virole par rapport au carter en fonctionnement par contact radial entre la languette et la gorge.
En laissant le carter extérieur se dilater par rapport à la virole, on évite la création de contraintes de cisaillement. En outre, le centrage est assuré aussi bien au montage qu'en fonctionnement grâce à deux contacts radiaux différents. Plus particulièrement, la largeur de la gorge et la largeur de la languette sont choisies telles que leur différence soit égale à l'augmentation de rayon résultant de la dilatation du carter avec sa bride et de la virole entre le montage et le fonctionnement, de telle façon que la virole soit centrée sur le carter en fonctionnement par contact radial entre la languette et la gorge.
De préférence, la virole est fixée au carter par le moyen de vis traversant la bride par des orifices dans la bride, et le diamètre desdits orifices est suffisant pour permettre la dilatation du carter sans contrainte de cisaillement sur les vis.
Selon un autre mode de réalisation, le carter est solidaire de la languette et la bride est solidaire de la virole, les deux diamètres intérieurs de la gorge et de la languette étant égaux de façon à assurer le centrage de la virole par rapport au carter, au montage, par contact radial entre la languette et la gorge.
Conformément à une autre caractéristique, les deux diamètres extérieurs de la gorge et de la languette sont configurés pour être égaux en fonctionnement de façon à assurer le centrage de la virole par rapport au carter en fonctionnement par contact radial entre la languette et la gorge.
Plus particulièrement, la largeur de la gorge et la largeur de la languette sont choisies telles que leur différence soit égale à l'augmentation de rayon résultant de la dilatation du carter et de la virole entre le montage et le fonctionnement du banc, de telle façon que la virole soit centrée sur le carter en fonctionnement du banc par contact radial entre la languette et la gorge.
La virole est fixée au carter par le moyen de vis traversant des orifices de la bride, le diamètre desdits orifices étant suffisant pour permettre la dilatation du carter sans contrainte de cisaillement sur les vis.
Ainsi par rapport aux liaisons carter refroidi/non refroidi de l'art antérieur, l'invention apporte :
- Un encombrement plus réduit car il n'y a pas besoin de vis de grand
diamètre, - Un gain en masse en raison de la diminution de l'épaisseur des carters et du diamètre des vis,
- Une garantie de centrage au montage et en fonctionnement,
- Une relaxation des contraintes dans les vis et dans le centrage.
Présentation des figures
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés.
Sur ces dessins :
- La figure 1 représente en demi coupe axiale une chambre de combustion montée sur un banc d'essai ;
- La figure 2 est une vue à plus grande échelle du détail I2 de la figure 1 et montre la liaison de l'art antérieur entre le carter extérieur de la chambre de combustion de la figure 1 et la virole montée à l'aval de celui-ci ;
- La figure 3 montre la liaison conforme à l'invention entre le carter de la chambre de combustion montée sur le banc d'essai et la virole fixée à l'aval du carter extérieur ;
- La figure 4 montre la liaison conforme à l'invention entre le carter de la chambre de combustion montée sur le banc d'essai et la virole fixée à l'aval du carter extérieur avec d'autres références ;
- La figure 5 montre la liaison en fonctionnement, le centrage étant réalisé par contact radial de la languette avec le bord inférieur de la gorge. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention.
La figure 3 représente la liaison entre le carter et la virole modifiée par rapport à celle de la figure 2, conformément à l'invention. Cette liaison est représenté au montage c'est-à-dire à température ambiante avant tout essai. La bride radiale porte maintenant la référence 131, le carter extérieur de la chambre de combustion du banc d'essai, la référence 13 et la virole la référence 15.
Une gorge 132 a été usinée dans la bride 131 sur la face située du côté de la virole. La virole 15 comprend une languette annulaire 151 qui est engagée dans la gorge 132. Le diamètre extérieur de la languette 151 est égal à celui du diamètre extérieur de la gorge 132. Par ce contact radial sur toute la périphérie de la virole 15, la languette 151 assure, à froid, le centrage de la virole par rapport au carter extérieur 13.
Les deux pièces 13 et 15 sont maintenues assemblées par le moyen de vis 17 qui traversent la bride 131 par des orifices 134 et sont vissées sur la face amont de la virole dans des trous 154 convenablement taraudés. Une cale 18 en matériau approprié forme une interface entre le carter et la virole. L'étanchéité peut être réalisée par des joints C métalliques de part et d'autre de la cale 18.
En cours d'essai de la chambre de combustion montée sur le banc, la température du carter extérieur 13 s'élève fortement alors que l'on est amené à maintenir par refroidissement la température de la virole 15; il s'ensuit une dilatation différentielle entre ces deux pièces comme expliqué plus haut.
Pour ne pas contrarier la dilatation du carter tout en conservant le centrage de la virole ; le centrage à chaud est calculé par rapport aux différences de dilatations entre les deux pièces. La largeur de la gorge 132 a été déterminée de telle manière que, pendant les essais à la température de fonctionnement de la chambre de combustion, son flan intérieur vienne au contact radial de la face intérieure de la languette 151 sans qu'il se produise un serrage entre les pièces. Il s'ensuit que le centrage de la virole par rapport au carter est assuré à chaud sans que les pièces soient sollicitées en cisaillement.
Pour être sûr que l'on a bien un déplacement radial relatif entre le carter extérieur 13 et la virole 15, on vérifie par calcul que les têtes de vis glissent sur la bride du carter. Pour ne pas cisailler les vis, on prévoit par ailleurs un jeu J dans les trous 134 de passages des vis (figure 4). Ce jeu doit être suffisant pour éviter tout contact. Lorsque l'espace disponible est restreint, il est possible de décaler les trous 134 de passage de vis dans le carter extérieur par rapport à l'axe des taraudages.
En résumé, ce système permet un centrage de la virole 15 par rapport au carter extérieur 13 de chambre sur deux points de fonctionnement distinct : au montage à froid (figure 4) et en fonctionnement à chaud (figure 5) ; le tout dans un environnement très restreint. Il permet également un gain en masse significatif en raison d'une diminution de l'épaisseur des brides, et de la réduction du diamètre des vis.
D'autre part, en raison du glissement autorisé entre les pièces, les contraintes sont réduites.
On a décrit l'invention selon un mode de réalisation, l'autre mode de réalisation s'en déduit de manière évidente.

Claims

REVENDICATIONS
1 Module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion (10), comprenant un carter extérieur (13) annulaire d'axe A de révolution, à l'intérieur duquel est logée une chambre de combustion, et une virole (15) en aval du carter, la virole étant fixée audit carter par une liaison comprenant une bride radiale (131) solidaire du carter ou de la virole, une gorge annulaire (132) débouchant axialement étant ménagée dans la bride radiale et une languette axiale (151) solidaire de la virole ou du carter, la languette étant logée dans la gorge, caractérisé par le fait que la languette et la gorge annulaire sont agencées l'une par rapport à l'autre de manière à ce que, au montage elles sont en contact radial et centrées l'une par rapport à l'autre.
2 Module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion (10) selon la revendication 1 dans lequel le carter (13) est solidaire de la bride (131) et la languette (151) est solidaire de la virole (15), les deux diamètres extérieurs de la gorge (132) et de la languette (51) étant égaux de façon à assurer le centrage de la virole par rapport au carter (13), au montage par contact radial entre la languette et la gorge.
3 Module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion (10) selon la revendication 2 dont les deux diamètres intérieurs de la gorge (132) et de la languette (51) sont configurés pour être égaux en fonctionnement, de façon à assurer le centrage de la virole par rapport au carter (13) en fonctionnement par contact radial entre la languette et la gorge.
4 Module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion (10) selon la revendication 3, dont la largeur (e ) de la gorge et la largeur (1) de la languette sont choisies telles que leur différence (e-1) soit égale à l'augmentation de rayon résultant de la dilatation du carter avec sa bride et de la virole entre le montage le fonctionnement du banc, de telle façon que la virole soit centrée sur le carter en fonctionnement du banc par contact radial entre la languette (151) et la gorge (132).
5 Module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion (10) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la virole est fixée au carter par le moyen de vis (17) traversant des orifices (134) de la bride , le diamètre desdits orifices (134) étant suffisant pour permettre la dilatation du carter sans contrainte de cisaillement sur les vis.
6 Module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion (10) selon la revendication 1 dans lequel le carter est solidaire de la languette et la bride est solidaire de la virole, les deux diamètres intérieurs de la gorge et de la languette étant égaux de façon à assurer le centrage de la virole par rapport au carter, au montage, par contact radial entre la languette et la gorge.
7 Module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion (10) selon la revendication 6 dont les deux diamètres extérieurs de la gorge et de la languette sont configurés pour être égaux en fonctionnement, de façon à assurer le centrage de la virole par rapport au carter en fonctionnement par contact radial entre la languette et la gorge.
8 Module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion (10) selon la revendication 7, dont la largeur (e ) de la gorge et la largeur (1) de la languette sont choisies telles que leur différence (e-1) soit égale à l'augmentation de rayon résultant de la dilatation du carter et de la virole entre le montage et le fonctionnement du banc, de telle façon que la virole soit centrée sur le carter en fonctionnement du banc par contact radial entre la languette et la gorge.
9 Module de turbomachine ou de banc d'essai de chambre de combustion (10) selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel la virole est fixée au carter par le moyen de vis traversant des orifices de la bride, le diamètre desdits orifices étant suffisant pour permettre la dilatation du carter sans contrainte de cisaillement sur les vis.
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