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CA 02619422 2008-01-16
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CHAMBRE DE COMBUSTION D'UNE TURBOMACHINE
La présente invention concerne une chambre annulaire de
combustion d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un
turbopropulseur d'avion.
Une chambre annulaire de combustion d'une turbomachine
comprend deux parois cylindriques coaxiales, reliées à leurs extrémités
amont à une paroi annulaire de fond de chambre très rigide et comportant à
leurs extrémités aval des brides de fixation sur des carters de la
turbomachine. Elle comprend également un carénage annulaire amont fixé
sur le fond de chambre et destiné à orienter le flux d'air en entrée ou en
contournement de la chambre de combustion.
Dans la technique actuelle, l'assemblage de la partie amont de la
chambre de combustion est réalisé par superposition des extrémités aval
radialement interne et externe du carénage sur les extrémités amont
radialement interne et externe respectivement des parois cylindriques de la
chambre, l'ensemble étant fixé par boulonnage ou par soudage sur des
rebords annulaires radialement interne et externe respectivement du fond
de chambre. La fixation par boulonnage est généralement préférée puisque
les opérations de maintenance effectuées sur la chambre de combustion
sont plus simples et moins coûteuses que pour une fixation par soudage.
L'assemblage de la partie amont de la chambre de combustion par
superposition radiale des extrémités du carénage et des parois cylindriques
sur les rebords de fond de chambre se traduit par un cumul des tolérances
de fabrication lesquelles sont généralement importantes pour des pièces de
révolution et par un cumul des raideurs de chacune des pièces. Dès lors, le
serrage par un système vis/écrou doit être suffisamment fort pour rattraper
ces cumuls de cotes et d'efforts, ce qui peut dépasser la limite acceptable
par les vis et/ou entraîner une déformation plastique du carénage et des
parois cylindriques principalement, diminuant la tenue mécanique et la
durée de vie de la chambre de combustion. La déformation des pièces peut
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également faire apparaître des ouvertures entre le carénage et les parois
créant ainsi des fuites d'air. En outre, lors du fonctionnement de la
turbomachine, la chambre est soumise à de fortes vibrations lesquelles
peuvent induire un glissement des pièces (carénage, parois et fond de
chambre) les unes par rapport aux autres en cas de pertes de fixations.
Lorsque le couple de serrage ne permet pas de compenser les
raideurs et les jeux de montage des pièces, l'accostage des pièces ne peut
être correctement réalisé, ce qui ne permet pas d'obtenir les réactions
nécessaires entre les pièces pour faire passer par frottement les efforts qui
transitent lors du fonctionnement de la turbomachine. Il en résulte une plus
grande facilité de glissement des pièces. Les vibrations de la turbomachine
peuvent alors endommager la liaison boulonnée, notamment les vis, ce qui
conduit à une augmentation des pertes de fixation et à une destruction des
pièces à partir de la liaison.
Pour obtenir la souplesse nécessaire à la bonne liaison mécanique
des pièces à l'extrémité amont de la chambre de combustion, il a été
proposé de réaliser des fentes axiales dans les extrémités du carénage
entre les boulons de fixation. Cependant, ces fentes induisent des
écoulements d'air supplémentaires autour de la chambre, perturbant
l'écoulement d'air et donc le fonctionnement global de la turbomachine. De
plus, les extrémités de ces fentes sont sensibles aux vibrations de la
turbomachine, ce qui fragilise le carénage.
Dans une autre technique, les parties du carénage, les extrémités
superposées des parois cylindriques et du fond de chambre ont des
surfaces ondulées complémentaires, les fixations étant réalisées au niveau
des sommets des ondulations. Cette solution connue facilite l'accostage
des pièces mais crée des déformations au serrage avec un risque de fuites
d'air.
La présente invention a pour objet une chambre de combustion pour
turbomachine, qui évite les inconvénients précités de la technique
antérieure de façon simple, efficace et économique.
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Elle propose à cet effet une chambre annulaire de combustion d'une
turbomachine, comprenant deux parois cylindriques radialement interne et
radialement externe respectivement par rapport à l'axe de la turbomachine,
fixées par boulonnage à leurs extrémités amont sur un rebord annulaire
interne et sur un rebord annulaire externe d'un fond de chambre annulaire,
et un carénage annulaire s'étendant vers l'amont depuis le fond de
chambre, caractérisée en ce que les extrémités annulaires aval interne et
externe du carénage sont fixées par boulonnage sur les rebords annulaires
interne et externe respectivement du fond de chambre, en alignement
axiale avec les extrémités annulaires des parois interne et externe de la
chambre.
L'assemblage de l'extrémité amont de la chambre de combustion se
fait ainsi par superposition radiale de deux pièces et non plus de trois
pièces ce qui réduit le cumul des raideurs et le cumul des tolérances de
fabrication. Le couple de serrage à appliquer aux boulons peut être
optimisé et les déformations radiales de la chambre lors de la fixation du
carénage et des parois respectivement sur la paroi de fond sont réduites.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les extrémités
alignées du carénage et des parois cylindriques de la chambre de
combustion comportent des indentations ou ondulations complémentaires
engagées les unes dans les autres et traversées par des boulons de
fixation sur le fond de chambre.
Ces indentations ou ondulations confèrent une certaine souplesse
radiale au carénage et aux parois cylindriques qui facilite leur fixation sur
la
paroi de fond. En outre, le risque de glissement des pièces entre elles en
cas de rupture de boulons de fixation est fortement diminué par l'utilisation
de formes complémentaires entre le carénage et les parois, et par les
fixations indépendantes du carénage et des parois sur le fond de chambre.
Les indentations ou ondulations des extrémités du carénage et des
parois cylindriques comprennent une alternance de parties pleines et de
parties creuses, les boulons de fixation traversant les parties pleines et
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étant répartis en une rangée annulaire sur l'extrémité annulaire externe du
carénage et sur l'extrémité correspondante de la paroi externe de la
chambre, et en une rangée annulaire sur l'extrémité annulaire interne du
carénage et sur l'extrémité correspondante de la paroi interne de la
chambre.
La disposition des boulons en une rangée annulaire interne et une
rangée annulaire externe permet de diminuer l'encombrement axial.
Avantageusement, les boulons de fixation de l'extrémité annulaire
externe du carénage et de l'extrémité annulaire de la paroi externe sont
décalés angulairement par rapport aux boulons de fixation de l'extrémité
annulaire interne du carénage et de l'extrémité annulaire de la paroi
interne.
Ainsi la configuration est telle qu'un boulon de fixation de l'extrémité
aval externe du carénage n'est aligné pas radialement avec un boulon de
fixation de l'extrémité aval interne du carénage. Un tel décalage permet
d'éviter la formation de lignes de déformation radiales entre les boulons de
fixation internes et externes, ce qui contribue à améliorer la rigidité de la
chambre de combustion et à limiter les risques de résonances qui
pourraient être à l'origine de la propagation de fissures sous l'effet des
vibrations.
Dans un mode de réalisation de l'invention, chaque partie pleine des
indentations ou ondulations comporte un seul orifice de passage de
boulons de fixation.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les parties pleines
des indentations ou ondulations des extrémités du carénage comprennent
le même nombre de boulons de fixation que les parties pleines des
indentations ou ondulations des extrémités des parois de la chambre.
Dans une variante de réalisation, les parties pleines des indentations
ou ondulations des extrémités du carénage comprennent un nombre de
boulons de fixation différent de celui des parties pleines des indentations ou
ondulations des extrémités des parois de la chambre.
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Le carénage annulaire peut-être réalisé en une seule pièce, ou en
deux pièces annulaires radialement interne et externe respectivement.
L'invention concerne également une turbomachine, telle qu'un
turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle
5 comprend une chambre annulaire de combustion du type décrit ci-dessus.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à
la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et
en
référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe
axiale d'une chambre de combustion d'un turboréacteur selon la
technique antérieure ;
- la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe axiale
illustrant l'assemblage de l'extrémité amont de la chambre de
combustion selon l'art antérieur ;
- la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe axiale
illustrant l'assemblage selon l'invention ;
- la figure 4 est une vue partielle en perspective d'un mode de
réalisation d'une chambre de combustion selon l'invention.
On se réfère d'abord à la figure 1 qui est une demi-vue schématique
d'une chambre annulaire de combustion 10 selon la technique antérieure à
l'invention, vue en coupe selon l'axe de rotation 12 de la turbomachine.
La chambre de combustion 10 est alimentée en air par un diffuseur
14 monté en sortie d'un compresseur haute pression 16. Elle comprend
une paroi cylindrique radialement interne 18 et une paroi cylindrique
radialement externe 20 reliées en amont à un fond de chambre annulaire
22 et en aval à des carters 24 et 26 par l'intermédiaire d'une bride annulaire
interne 28 et d'une bride annulaire externe 30, respectivement.
Le fond de chambre 22 comporte des orifices 36 de passage de l'air
en provenance du diffuseur 14 et du carburant pulvérisé par des injecteurs
34 portés par le carter externe 26. Chaque injecteur 34 comprend une tête
38 montée sur le fond de chambre et alignée avec l'axe 40 d'un orifice 36.
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Un carénage annulaire 60 qui s'étend vers l'amont et qui comprend des
orifices 44 de passage d'air et de passage des injecteurs, est fixé sur des
rebords du fond de chambre 22 avec les extrémités des parois cylindriques
18 et 20 de la chambre de combustion.
Dans la technique connue représentée en figure 2, l'assemblage de
la partie amont de la chambre de combustion est réalisé en intercalant les
extrémités interne 46 et externe 48 des parois cylindriques entre, d'une
part, les extrémités annulaires interne 50 et externe 52 du carénage et,
d'autre part, les rebords annulaire interne 54 et externe 56 du fond de
chambre. Ces trois pièces ainsi superposées sont fixées ensemble par des
boulons 42, ce qui se traduit par un cumul de tolérances de fabrication et
par un cumul de raideurs.
Selon l'invention, ces inconvénients sont évités grâce au fait que
comme représenté en figure 3, les extrémités aval interne 50 et externe 52
du carénage sont alignées avec les extrémités annulaires des parois
interne 46 et externe 48, respectivement, de la chambre de combustion et
sont fixées par boulonnage sur les rebords de la paroi de fond
indépendamment des extrémités des parois 46 et 48.
L'assemblage de la partie amont de la chambre est ainsi réalisé par
superposition radiale de deux pièces et non plus de trois pièces. Par
conséquent l'impact des cumuls des tolérances de fabrication et des
raideurs respectives du carénage, des parois et du fond est plus faible ce
qui facilite le montage de la chambre et améliore la tenue mécanique de
l'assemblage. Le couple de serrage à appliquer aux boulons de fixation du
carénage sur les rebords de la paroi de fond peut être optimisé en tenant
compte uniquement des raideurs et des tolérances de fabrication du
carénage et de la paroi de fond. De manière similaire, pour la fixation des
parois cylindriques sur les rebords du fond de chambre, seules les raideurs
et les tolérances de fabrication des parois et du fond de chambre sont
prises en compte. Cet assemblage permet de limiter les déformations
radiales du carénage et des parois cylindriques et d'éviter la formation de
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fuites d'air supplémentaires qui perturbent la combustion et l'écoulement
d'air.
Dans l'exemple de réalisation représenté aux figures 3 et 4, les
extrémités amont des parois cylindriques interne 18 et externe 20
comportent des ondulations ou indentations formées par une alternance de
parties creuses 62 et de parties pleines 48 qui s'étendent dans l'alignement
de ces parois. De manière similaire, les extrémités aval interne 50 et
externe 52 du carénage comprennent des ondulations formées par une
alternance de parties creuses 64 et de parties pleines 50. Les parties
creuses 62 et les parties pleines 48 des parois cylindriques sont engagées
dans les parties pleines 50 et les parties creuses 64, respectivement, du
carénage annulaire. Ces ondulations confèrent une souplesse radiale aux
parois cylindriques et au carénage facilitant leur fixation sur la paroi de
fond. L'utilisation de formes complémentaires aux extrémités du carénage
et des parois cylindriques et leur imbrication permet à la chambre de mieux
résister aux vibrations de la turbomachine.
Les boulons de fixation sur le fond de chambre traversent les parties
pleines des ondulations et sont répartis suivant une rangée annulaire
externe et une rangée annulaire interne. La rangée annulaire externe est
formée par une alternance de boulons 66 de fixation de la paroi cylindrique
externe sur le rebord 56 du fond de chambre et de boulons 68 de fixation
de l'extrémité annulaire amont externe du carénage sur ce rebord. De
même, la rangée annulaire interne de boulons est formée par une
alternance de boulons 70 de fixation de la paroi cylindrique interne et de
boulons 72 de fixation de l'extrémité annulaire amont interne du carénage
sur le rebord 54 du fond de chambre.
Avantageusement, les boulons 68 de fixation de l'extrémité annulaire
externe 52 du carénage sont décalés angulairement d'un pas par rapport
aux boulons 72 de fixation de l'extrémité annulaire interne du carénage, et
les boulons 66 et 72, ainsi que les boulons 68 et 70, sont alignés
radialement. Ce mode de fixation avec décalage angulaire présente
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l'avantage de rigidifier l'ensemble de la chambre de combustion, en évitant
la formation de lignes de déformation entre un boulon interne 72 et un
boulon externe 68 qui seraient diamétralement opposés. Les niveaux de
fréquences des modes propres de vibration sont ainsi plus élevés ce qui
permet d'éliminer les risques de propagation de fissures sous l'effet des
vibrations.
Dans la réalisation représentée en figure 3, chaque partie pleine des
indentations ou ondulations comporte un seul orifice de passage d'un
boulon de fixation.
Dans des variantes de réalisation non représentées, les parties
pleines des ondulations des extrémités du carénage comprennent soit le
même nombre, par exemple égal à 2, soit un nombre différent de boulons
de fixation que les parties pleines des ondulations des extrémités des
parois de la chambre.
Le carénage annulaire peut être réalisé en une seule pièce ou bien
en deux pièces annulaires radialement interne et radialement externe.
L'invention n'est pas limitée aux chambres de combustion
précédemment décrites et est applicable de façon générale à tous les types
de chambres de combustion, telles que par exemple celles qui sont
adaptées à recevoir une pluralité de têtes d'injecteurs disposées en
anneaux concentriques.
