Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02647145 2008-12-11
Dispositif de guidage d'un élément dans un orifice d'une paroi de
chambre de combustion de turbomachine
La présente invention concerne un dispositif de guidage d'un
éiément, tel qu'une bougie d'allumage ou un injecteur de carburant,
s'étendant dans un orifice ou au voisinage d'un orifice d'une paroi de
chambre de combustion de turbomachine.
Une chambre annulaire de combustion de turbomachine est
délimitée par deux parois de révolution coaxiales qui s'étendent l'une à
l'intérieur de l'autre et qui sont reliées entre elles à leurs extrémités
amont
par une paroi annulaire de fond de chambre.
La paroi de fond de chambre comporte des orifices de montage de
moyens d'injection d'un mélange d'air et de carburant à!'intérieur de la
chambre, l'air provenant d'un compresseur de la turbomachine et le
carburant étant amené par des injecteurs. Ces injecteurs s'étendent
sensiblement radialement depuis leurs extrémités extemes fixées sur un
carter externe de la chambre, jusqu'à leurs têtes alignées axialement avec
les orifices de la paroi de fond de chambre.
La paroi externe de révolution de la chambre comporte au moins un
orifice de passage d'une extrémité d'une bougie d'allumage dont l'autre
extrémité est fixée sur un carter externe de la chambre, cette bougie étant
destinée à amorcer la combustion du mélange d'air et de carburant dans la
chambre.
En fonctionnement de la turbomachine, les parois de la chambre de
combustion se dilatent thermiquement, ce qui engendre des déplacements
relatifs entre la paroi externe de la chambre et la bougie d'allumage et entre
la paroi de fond de chambre et les injecteurs de carburant.
Pour compenser et autoriser ces déplacements relatifs, on utilise des
dispositifs de guidage de la bougie et des injecteurs qui comprennent
chacun une bague et une douille sensiblement coaxiales montées l'une à
l'intérieur de l'autre, la bague étant destinée à être traversée axialement
par
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la bougie ou un injecteur et comportant un rebord annulaire externe guidé
transversalement dans une gorge annulaire interne de la douille qui est
fixée sur le bord de l'orifice de la paroi externe de ta chambre ou portée par
un système d'injection. Cette douille comprend deux pièces annulaires
coaxiales qui sont fixées l'une sur l'autre par soudage et qui définissent
entre elles la gorge annulaire de guidage du rebord de la bague. La
demande de brevet EP-A1-1 770 332 de la demanderesse décrit un
dispositif de guidage de ce type.
Les déplacements reiatifs entre la paroi externe de la chambre et la
bougie ont principalement lieu dans une direction parallèle à l'axe
longitudinal de la chambre. En fonctionnement, la douille solidaire de la
paroi de la chambre est donc essentiellement déplacée dans cette
direction longitudinale par rapport à la bague de guidage de la bougie
portée par le carter exteme. Les déplacements relatifs de la bague dans la
gorge de la douille dans les autres directions transversales sont de plus
faibles amplitudes. La direction axiale ou longitudinale est donc la direction
privilégiée de déplacement de la bague de guidage de la bougie d'allumage
par rapport à la douille portée par la chambre.
Les déplacements relatifs entre la paroi de fond de chambre et les
injecteurs ont principalement lieu dans des directions radiales par rapport à
l'axe longitudinal de la chambre, la direction privilégiée de déplacement
relatif de la bague montée autour d'un injecteur est donc une direction
radiale par rapport à l'axe longitudinal de la chambre.
Dans la technique actuelle, les deux pièces annulaires formant la
douille d'un dispositif de guidage sont fixées l'une sur l'autre à leurs
périphéries externes par un ou des cordons de soudure qui s'étendent sur
tout le pourtour de la douille. Bien que l'opérateur en charge de la
réalisation de cette soudure prenne un maximum de précautions pour
effectuer ces soudures, les cordons de soudure peuvent déborder dans la
gorge annulaire de guidage de la bague et boucher localement la
périphérie externe de cette gorge, réduisant ou empêchant ainsi les
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débattements de la bague en direction transversale dans la gorge de la
douille. L'opération de soudage des pièces de la douille est donc délicate à
réaliser et ne permet pas de contrôler ces débordements de soudure. De
plus, il existe un risque important de blocage ou de grippage du dispositif à
chaque fois que le rebord de la bague vient en contact avec un cordon de
soudure qui déborde dans la gorge de la douille, avec un risque
inacceptable de rupture de la bougie ou de l'injecteur.
Une solution à ce problème consisterait à surdimensionner les
pièces de la douilie de façon à ce que la gorge annulaire ait une dimension
transversale plus grande que nécessaire pour conserver un débattement
maximal de la bague en direction transversale, même lorsque les cordons
de soudure débordent à l'intérieur de la gorge.
Cependant, cette solution ne serait pas satisfaisante car elle
entraînerait une augmentation significative de la masse du dispositif et
gênerait la ventilation de la paroi de la chambre en obturant partiellement
des orifices de passage d'air de cette paroi situés au voisinage du
dispositif.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple,
efficace et économique à ce problème.
Elle propose à cet effet un dispositif de guidage d'un élément dans
un orifice d'une paroi de chambre de combustion de turbomachine,
comprenant une bague et une douille sensiblement coaxiales montées
l'une à l'intérieur de l'autre, la bague étant destinée à être traversée
axialement par l'élément et comportant un rebord annulaire externe guidé
transversalement dans une gorge annulaire interne de la douille destinée à
être fixée sur le bord de l'orifice de la paroi de la chambre de combustion,
la douille comprenant deux pièces annulaires coaxiales fixées l'une sur
l'autre par brasage ou soudage et définissant entre elles la gorge annulaire
de guidage du rebord de la bague, et le dispositif comportant au moins une
direction transversale privilégiée de déplacement de la bague, caractérisé
en ce que les deux pièces de la douille sont fixées l'une sur l'autre par des
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zones de soudure ou de brasure, ces zones se trouvant en dehors de la
trajectoire du rebord de la bague quand celle-ci est déplacée par rapport à
la douille dans la direction privilégiée.
Selon l'invention, les deux zones de soudure ou de brasure des deux
pièces de la douille ne sont pas situées sur la direction privilégiée de
déplacement de la bague, et les débordements des cordons de soudure ou
de brasure qui pénètrent dans la gorge de la douille et la bouchent
localement ne limitent donc pas les déplacements du rebord de la bague
dans cette direction. Il n'est donc pas nécessaire de tenir compte des
débordements des cordons de soudure dans le dimensionnement de la
douille du dispositif de guidage. Dans un cas particulier de réalisation de
l'invention, cela permet d'obtenir une réduction de 2mm environ sur le
diamètre de la douille par rapport à la technique antérieure.
Préférentiellement, les zones de soudure ou de brasure sont
réparties autour de l'axe de la douille.
Ces zones peuvent être au nombre de deux et sont alors
diamétralement opposées par rapport à l'axe de la douille. Une des deux
pièces de la douille est par exemple une rondelle à contour externe
sensiblement ovale ou oblong, cette rondelle comportant des parties
d'extrémité à plus petit rayon de courbure qui sont brasées ou soudées sur
l'autre pièce de la douille. Cette forme particulière de la rondelle de la
douille permet de réduire la masse du dispositif. Avantageusement, les
zones de soudure ou de brasure sont alignées sur un axe sensiblement
perpendiculaire à la direction privilégiée de déplacement de la bague.
En variante, les zones de soudure ou de brasure sont au nombre de
quatre et sont diamétralement opposées deux à deux par rapport à l'axe de
la douilie. Une des deux pièces de la douille est par exemple une rondelle à
contour externe de forme sensiblement carrée pour réduire la masse de
cette pièce, cette rondelle comportant des parties d'extrémité
correspondant aux sommets du carré qui sont brasées ou soudées sur
l'autre pièce de la douille. Les zones de soudure diamétralement opposées
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sont alignées sur des axes inclinés d'un angle de 45 environ par rapport à
la direction privilégiée de déplacement de (a bague.
La présente invention concerne également une chambre de
combustion de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend au
5 moins un dispositif tel que décrit ci-dessus, et une turbomachine, telle
qu'un
turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle
comprend au moins une turbine de ce type.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails
et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la
description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence
aux
dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'un diffuseur
et d'une chambre de combustion d'une turbomachine ;
- la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif de guidage selon la
technique antérieure ;
- la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un dispositif de
guidage selon l'invention ;
- la figure 4 est une vue schématique en perspective d'une variante de
réalisation du dispositif selon l'invention.
On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une chambre
annulaire de combustion 10, pour une turbomachine telle qu'un
turboréacteur d'avion, agencée en sortie d'un diffuseur annulaire 12, lui
même situé en sortie d'un compresseur (non représenté).
La chambre 10 comprend une paroi de révolution inteme 14 et une
paroi de révolution externe 16 reliées en amont à une paroi annulaire 18 de
fond de chambre et fixées en aval par des brides annulaires inteme 20 et
externe 22 respectivement sur un voile tronconique interne 24 du diffuseur,
et sur une extrémité aval d'un carter externe 26 de la chambre, l'extrémité
amont de ce carter 26 étant fixée sur un voile tronconique externe 28 du
diffuseur.
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La paroi 18 de fond de chambre comporte des orifices 30 de
montage de systèmes 37 d'injection d'un mélange d'air et de carburant
dans la chambre 10, l'air provenant du diffuseur 12 et le carburant étant
amené par des injecteurs 32. Les injecteurs 32 sont fixés à leurs extrémités
radialement externes sur le carter externe 26 et régulièrement répartis sur
une circonférence autour de l'axe de révolution 34 de la chambre. Chaque
injecteur 32 comprend à son extrémité radialement interne une tête 36
d'injection de carburant qui est guidée dans un système d'injection 37 et qui
est alignée avec l'axe 38 d'un orifice 30 correspondant de la paroi 18 de la
chambre, cet axe 38 étant confondu dans le dessin avec l'axe longitudinal
de la section de la chambre.
Un capot annulaire 40 incurvé vers l'amont est fixé sur les extrémités
amont des parois 14, 16 et 18 de la chambre et comprend des orifices 42
de passage d'air alignés avec les orifices 30 de la paroi 18 de fond de
chambre.
Le mélange d'air et de carburant injecté dans la chambre 10 est
enflammé au moyen d'au moins une bougie d'aflumage 44 qui s'étend
radialement à l'extérieur de la chambre. Cette bougie 44 est guidée à son
extrémité radialement interne dans un orifice 46 de la paroi externe 16 de la
chambre, et son extrémité radialement externe est fixée par des moyens
appropriés sur le carter externe 26 et reliée à des moyens d'alimentation
électrique (non représentés) situés à l'extérieur du carter 26.
Un dispositif 48 de guidage de l'extrémité radialement interne de la
bougie d'allumage 44 est fixé à l'extérieur de ia chambre 10 sur la paroi
externe 16, autour de l'orifice 46 pour compenser les déplacements relatifs
entre la paroi externe 16 de la chambre et la bougie 44 portée par le carter
26 pendant le fonctionnement de la turbomachine. Ces déplacements
relatifs ont principalement lieu en direction longitudinale, c'est-à-dire
sensiblement parallèlement à l'axe 38 de la chambre 10.
Un dispositif 48' de guidage de la tête 36 de l'injecteur est également
porté par chaque système d'injection 37 monté dans un orifice 30 de la
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paroi 18 de la chambre, pour compenser les déplacements relatifs entre la
chambre et l'injecteur qui ont principalement lieu en direction radiale par
rapport à l'axe 38.
Le dispositif de guidage 48 (48'), mieux visible en figure 2, comporte
une bague 50 traversée axialement par la bougie 44 (ou la tête 36 de
l'injecteur) et montée à l'intérieur d'une extrémité d'une douille 52
coaxiale,
dont l'autre extrémité est fixée par brasage, soudage ou analogue sur la
paroi externe 16 de la chambre, autour de l'orifice 46 de passage de la
bougie (ou fixé sur le système d'injection 37 porté par la paroi 18 de la
chambre).
La bague 50 comprend une partie cylindrique 54 dont la surface
interne 56 entoure avec un faible jeu la bougie 44 (ou la tête 36 de
l'injecteur). Cette partie cylindrique 54 est reliée à une extrémité à une
partie tronconique 58 évasée vers l'extérieur qui sert au guidage de la
bougie (ou de la tête) lors de son montage dans le dispositif, et comporte à
son autre extrémité un rebord annulaire 60 qui s'étend radialement vers
l'extérieur par rapport à l'axe de la bague 50 et qui est guidé dans une
gorge annulaire inteme 62 de la douille 52.
La douille 52 comprend deux pièces annulaires 64, 66 coaxiales qui
sont fixées par brasage ou soudage l'une sur l'autre et qui définissent entre
elles la gorge annulaire 62 de guidage du rebord externe 60 de la bague
50. Dans l'exemple représenté, la douille 52 comprend une première pièce
annulaire 64 à section sensiblement en S ou en Z et une seconde pièce
annulaire 66 plane formée par une rondelle.
La première pièce 64 comprend une paroi cylindrique 68 qui est
soudée ou brasée à une extrémité sur la paroi 16 (ou sur le système
d'injection 37) et qui est reliée à son autre extrémité à une paroi radiale 70
définissant une surface annulaire interne 72 de la gorge 62. La paroi radiale
70 de la pièce 64 est raccordée à sa périphérie exteme à un rebord
cylindrique 74 s'étendant du côté opposé à la paroi cylindrique 68 et sur
lequel est appliquée et soudée ou brasée la périphérie de la rondelle 66 de
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la douille. Cette rondelle 66 s'étend sensiblement radialement par rapport à
l'axe de la douille et définit une autre surface annulaire interne 76 de la
gorge, cette surface 76 étant parallèle à la surface 72 définie par la
première pièce 64 de la douille. Les surfaces annulaires 72, 76 permettent
de guider le rebord externe 60 de la bague dans un plan radial ou
transversal par rapport à l'axe de la douille.
Le diamètre exteme du rebord annulaire 60 de la bague 50 est
inférieur au diamètre inteme du rebord cylindrique 74 de la douille 52 et le
diamètre externe de la partie cylindrique 54 de la bague est inférieur au
diamètre interne de la rondelle 66 pour autoriser des déplacements du
rebord 60 de la bague dans la gorge 62 dans un plan transversal. La
dimension axiale ou épaisseur du rebord externe 60 de la bague est en
outre inférieure à la dimension axiale de la gorge 62 de la douille pour
autoriser des décalages angulaires entre les axes de la bague 50 et de la
douille 52.
Cependant, lors de l'opération de soudage ou de brasage de la
pèriphérie externe de la rondelle 66 sur le rebord cylindrique 74, de la
matière 78 en fusion pénètre à l'intérieur de la gorge 62 de la douille et
vient boucher localement cette gorge sur au moins une partie de son
pourtour, ce qui se traduit par une diminution du débattement de la bague
50 en direction transversale dans la gorge.
L'invention permet de remédier à ce problème grâce au soudage ou
au brasage de la rondelle 66 et de la pièce 64 de la douille dans des zones
circonférentielles qui sont espacées l'une de l'autre et qui sont éloignées de
la direction privilégiée de déplacement du rebord de la bague pendant le
fonctionnement.
Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, la rondelle 66 est fixée
sur la pièce 64 par quatre zones 80 de soudure ou de brasure
régulièrement réparties autour de l'axe de la douille. Ces zones de soudure
80 peuvent être formées chacune par un ou plusieurs points de soudure ou
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par un cordon de soudure s'étendant sur une faible étendue angulaire
autour de l'axe de la douille (par exemple de l'ordre de 20 environ).
Les zones de soudure 80 sont diamétralement opposées deux à
deux par rapport à l'axe de la douille. Deux zones de soudure 80
diamétralement opposées sont alignées sur un axe P1 (ou P2)
perpendiculaire à l'axe de la douille. Selon l'invention, les axes P1 et P2
sont décalés, de 45 dans l'exemple représenté dans le sens horaire et
anti-horaire, par rapport à la direction privilégiée X1, X2 de déplacement
relatif de la bague.
Dans le cas du dispositif de guidage 48 de la bougie 44, la direction
privilégiée de déplacement relatif de la bague est la direction longitudinale
selon l'axe 38, les déplacements de la bague ayant lieu dans cette direction
vers l'amont (Xl) ou vers l'aval (X2).
Dans le cas du dispositif de guidage 48' de la tête 36 d'un injecteur,
la direction privilégiée de guidage de la bague est la direction radiale par
rapport à l'axe 38, les déplacements de la bague ayant lieu dans cette
direction vers l'extérieur (Xl) ou vers l'intérieur (X2).
Dans l'exemple représenté, la forme de la rondelle 66 a été
optimisée pour réduire sa masse. La rondelle 66 a un contour externe de
forme sensiblement carrée dont les sommets sont appliqués et soudés au
niveau des zones 80 sur le rebord cylindrique 74 de la pièce 64 de la
douille. Les arêtes du contour externe carré de la rondelle 66 ne sont pas
en appui sur ce rebord cylindrique 74 et sont écartées de ce rebord
radialement vers l'intérieur de façon à définir des espaces de passage d'air
de ventilation entre la rondelle 66 et le rebord cylindrique 74 de la pièce
64.
Dans la variante représentée en figure 4, la rondelle 166 est fixée
sur le rebord externe 174 par deux zones 180 de soudure ou de brasure
diamétralement opposées qui s'étendent chacune sur une étendue
angulaire de l'ordre de 40 environ. Selon l'invention, ces zones de soudure
180 sont décalées par rapport à la direction X1, X2 privilégiée de
déplacement de la bague. Cette direction Xl, X2 peut être la direction
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longitudinale dans le cas du guidage d'une bougie 44, ou la direction
radiale dans le cas du guidage de la tête 36 d'un injecteur.
Dans l'exemple représenté, les zones de soudure 180 sont alignées
sur un axe P3 qui est sensiblement perpendiculaire à cette direction
5 privilégiée Xl, X2.
La rondelle 166 a ici une forme ovale ou oblongue dont les sommets
correspondant aux extrémités de plus petit rayon de courbure sont brasés
ou soudés sur le rebord cylindrique 174 de la pièce 164. Les parties
latérales de la rondelle 166 correspondant aux extrémités de plus grand
10 rayon de courbure sont écartées et situées radialement en retrait vers
l'intérieur du rebord cylindrique 174 de la douille, de façon à créer des
espaces de passage d'air entre la rondelle 166 et le rebord 174.
La bague 50, 150, la pièce 64, 164 et la rondelle 66, 166 du
dispositif sont par exemple réalisées en alliage à base de cobalt.
