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WO 2010/000583 PCT/EP2009/057147
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Chambre de combustion de moteur à turbine à gaz comportant des
déflecteurs en CMC
La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz et
en particulier celui des chambres de combustion de tels moteurs.
La chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz reçoit l'air
comprimé issu du compresseur à haute pression amont et fournit un gaz
réchauffé par combustion dans une zone de combustion alimentée en
carburant. La chambre comprend ainsi une paroi de fond de chambre située
en amont sur laquelle sont fixés les différents systèmes d'injection de
carburant. La figure 1 montre une chambre de l'art antérieur. La chambre 1
annulaire est logée à l'intérieur d'un carter 2 du moteur en aval du diffuseur
3 d'air comprimé. Elle comprend une paroi intérieure 4 et une paroi
extérieure 5 délimitant entre elles une zone de combustion. Dans sa partie
amont la chambre comprend une paroi 6 transversale de fond de chambre
sur laquelle sont ménagées des ouvertures équipées chacune d'un système
7 d'alimentation en air carburé. Un tel système est alimenté en carburant
depuis un injecteur de carburant liquide et comprend des grilles annulaires
concentriques pour créer des flux d'air tourbillonnant favorisant leur
mélange avec la nappe de carburant pulvérisé.
Une partie de l'air issu du diffuseur est déviée de la zone d'admission du
carburant par le carénage 8 et s'écoule le long et à l'extérieur de la paroi
extérieure aussi bien que le long et à l'extérieur de la paroi intérieure.
La partie qui passe à l'intérieur de la zone de carburation, franchit la paroi
6 de fond de chambre, et le mélange est allumé par des bougies disposées
sur la paroi annulaire extérieure. La zone de combustion primaire se situe
donc immédiatement en aval de la paroi du fond de chambre. Des
déflecteurs 9 en matériau métallique tapissent l'intérieur de la paroi du fond
de chambre et ont pour fonction de la protéger du rayonnement intense
produit dans la zone de combustion primaire. De l'air est introduit par des
orifices pratiqués dans la paroi du fond de chambre en arrière des
déflecteurs pour assurer leur refroidissement. Cet air s'écoule le long de la
face arrière des déflecteurs et est ensuite guidé pour former un film le long
des parois extérieures longitudinales de la chambre.
Dans la mesure où les déflecteurs de fond de chambre ne sont pas sollicités
mécaniquement, n'ont pas de rôle structural et ont une seule fonction de
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protection thermique, et dans la recherche d'une optimisation des flux
d'air, on souhaiterait pouvoir réduire le flux le long de la paroi du fond de
chambre et en affecter une fraction à une autre fonction, notamment de
refroidissement des parois intérieures ou extérieures.
Par ailleurs, les performances des moteurs en constante amélioration
conduisent à entretenir des températures de chambre de plus en plus
élevées. Afin de respecter les spécifications de durée de vie de la chambre,
il serait nécessaire d'intensifier le refroidissement des parois et du
déflecteur de fond de chambre. La solution d'augmenter le débit de
refroidissement serait pénalisante pour le rendement de la chambre.
Pour résoudre ce problème il est proposé de remplacer le déflecteur
métallique connu par un déflecteur en CMC (Composite à matrice
Céramique). La tenue à haute température de ce matériau est bien meilleure
que celle du métal. Cette solution permettrait de maîtriser le débit d'air de
refroidissement des déflecteurs et, à même température de fonctionnement
de la chambre, de le diminuer pour en affecter une partie à une autre
fonction ou bien d'accepter des températures de fonctionnement plus
élevées pour un même débit d'air de refroidissement.
Les CMC, composants à matrice céramique, sont en soi connus. Ils sont
formés d'un renfort en fibres de carbone ou bien en matière réfractaire et
d'une matrice céramique. La fabrication d'un CMC comprend la réalisation
d'une préforme fibreuse destinée à constituer le renfort de la structure, et
la
densification de la préforme par le matériau céramique de la matrice. Les
CMC présentent l'avantage de conserver leurs propriétés mécaniques
jusqu'à des températures élevées en milieu oxydant.
Le montage d'une pièce de ce type dans une structure métallique présente
toutefois des difficultés en raison notamment de la différence importante de
leur coefficient de dilatation. Un CMC a un taux de dilatation thermique
quatre fois plus faible que celui du métal utilisé pour la chambre. Par
ailleurs ce matériau ne peut pas être soudé ou brasé.
La demanderesse s'est fixé comme objectif de mettre au point un mode de
montage de déflecteurs en matériau de type CMC sur la paroi de fond
d'une chambre de combustion.
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Conformément à l'invention, on parvient à cet objectif avec une chambre
de combustion présentant les caractéristiques rapportées dans la
revendication principale.
Le fourreau est de préférence fixé par brasage à la paroi et le moyen
d'accrochage mécanique est à crabotage. Des dents radiales sur l'une des
deux pièces, partie cylindrique du déflecteur ou fourreau métallique,
coopèrent avec une rainure sur l'autre pièce.
On assure ainsi le maintien du déflecteur sans brasage.
Cette solution permet, aux températures élevées, de maintenir en position le
déflecteur contre le fourreau. En effet en se dilatant la coupelle vient en
prise avec la partie cylindrique du déflecteur.
Avantageusement, la coupelle est montée avec jeu à l'intérieur de la partie
cylindrique du déflecteur quand la chambre est froide, le jeu étant réduit
sinon éliminé aux températures de fonctionnement de la chambre de
combustion. Ce jeu permet l'assemblage des pièces et tient compte de leur
différence de dilatation.
Plus particulièrement, la coupelle comprend une bride radiale par laquelle
elle est fixée par soudage au fourreau métallique.
Le système d'alimentation en air carburé comprend un bol fixé par une
bride au fourreau métallique.
Conformément à une variante de réalisation, le moyen de fixation
mécanique du déflecteur coopère avec un support de déflecteur rapporté sur
le fourreau. Ce support forme une pièce intermédiaire qui permet
d'éloigner les zones de brasage des pièces métalliques entre elles sans
risquer d'endommager le matériau CMC constituant le déflecteur.
Comme dans la réalisation précédente, la partie cylindrique du déflecteur
est solidaire d'un élément cylindrique, formant coupelle, logé, avec jeu à
froid, à l'intérieur de la bride annulaire du déflecteur, ledit élément
formant
coupelle assurant le guidage du déflecteur quand la température a
augmenté.
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On décrit maintenant plus en détail deux formes, non limitatives, de
réalisation de l'invention en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente en demi-coupe axiale une chambre de
combustion d'un moteur à turbine à gaz de l'art antérieur,
- la figure 2 représente partiellement le fond de chambre selon
l'invention en coupe axiale, avec une loupe qui montre plus en détail la
zone de montage du déflecteur dans le fond de chambre,
- les figures 3 à 6 montrent la succession des étapes de montage du
déflecteur dans le fond de chambre,
- la figure 7 montre en coupe axiale une variante de réalisation de
l'invention.
En se reportant à la figure 2, on voit un fond de chambre conforme à un
mode de réalisation de l'invention. La paroi 11 de fond de la chambre 10
est protégée du rayonnement de la zone de combustion par un déflecteur 12
en matériau CMC. La forme du déflecteur est sensiblement la même que
celle du déflecteur 9 de l'art antérieur avec une partie généralement plane
12A qui vient se placer parallèlement à la paroi 11 et deux parties 12b
incurvées vers les parois extérieure et intérieure. Le déflecteur 12 est
ouvert
dans sa partie centrale avec une partie cylindrique 12c de même axe que le
système d' alimentation en air carburé 13.
Dans l'ouverture de la paroi 11 de fond de chambre, est fixé un fourreau
métallique 14. Une brasure 14a maintient le fourreau 14 contre le bord
intérieur de l'ouverture de la paroi 11. Le fourreau comprend une partie
cylindrique 14b et une partie radiale 14c, cette dernière ménageant un
espace avec une coupelle d'arrêt 15 qui est soudée à sa périphérie. Des
dents 14d transversales tournées vers l'axe de l'ouverture de la paroi 11
sont ménagées à l'intérieur de la partie cylindrique 14b du fourreau 14. Une
coupelle de centrage 16 comprend une partie cylindrique 16a et une bride
16b radiale et transversale. La coupelle 16 est disposée à l'intérieur de la
partie cylindrique 14b du fourreau et fixée par un cordon de soudure 16c
périphérique au fourreau 14. La partie cylindrique 16a de la coupelle est à
l'intérieur de la partie cylindrique 12c.
Le déflecteur 12 comprend une rainure transversale 12c1 sur la face
extérieure de la partie cylindrique 12c, formant logement des dents 14d du
fourreau. La rainure est ajourée pour permettre le passage axial des dents
14d au montage puis le verrouillage par rotation du fourreau par rapport à
la partie cylindrique 12c du déflecteur 12. Ce mode de fixation mécanique
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du déflecteur au fourreau est du type à crabotage. D'autres modes de
fixation mécanique sont envisageables. Comme on le voit sur la figure 2a la
partie cylindrique 16a de la coupelle est à l'intérieur de la partie
cylindrique 12c, avec au montage un jeu radial.
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Le dispositif d'injection et de carburation de l'air est représenté
globalement par la référence 13. Il n'est pas détaillé dans la mesure où
l'objet de l'invention ne le concerne pas. Le bol divergent 13a du dispositif
comprend extérieurement une bride transversale 13b logée dans l'espace
formé entre la face radiale 14c du fourreau 14 et la coupelle d'arrêt 15.
On décrit le montage de l'ensemble.
On dispose, figure 3, le fourreau 14 contre la paroi 11 du fond de chambre
extérieurement à la chambre. Il est centré sur le bord intérieur de
l'ouverture correspondante de la paroi 11.
On met en place, figure 4, le déflecteur 12 dans le fourreau 14 par
l'intérieur de la chambre. On introduit axialement les dents 14d par les
ajours dans la rainure 12c1. On fait tourner le fourreau 14 de manière à
verrouiller les dents axialement par rapport à la bride annulaire 12c. Le
fourreau 14 est alors craboté dans le déflecteur 12 par la coopération des
dents 14d et de la rainure 12c1.
On fixe le fourreau 14, figure 5, en le brasant sur le fond de chambre avec
le cordon de brasure 14a, figure 2 et un pion 18 anti-rotation est placé entre
le diamètre du fourreau et celui du déflecteur. On glisse la coupelle de
centrage 16 dans la partie cylindrique 12c du déflecteur. Et on fixe la
coupelle par un point ou un cordon de soudure 16c entre celle-ci et le
fourreau 14.
On monte alors le dispositif d'injection de carburant 13 que l'on
immobilise par la coupelle d'arrêt 15. Celle-ci est soudée au fourreau.
Ce mode de montage du déflecteur permet d'immobiliser celui-ci dans la
paroi du fond de chambre par un moyen mécanique d'accrochage. Les
soudures sont effectuées uniquement entre les parties métalliques. On tient
compte de la dilation différentielle des déflecteurs par rapport à
l'environnement métallique grâce à la coupelle de centrage qui en se
dilatant radialement vient immobiliser le déflecteur en position.
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Les jeux entre le fourreau et le déflecteur d'une part et le déflecteur et la
coupelle de centrage d'autre part sont à optimiser en fonction des
températures de fonctionnement et du diamètre des pièces.
On décrit maintenant une variante de réalisation en référence avec la figure
7.
Le principe de montage est globalement le même que précédemment ; on a
simplement modifié le fourreau et la coupelle.
Le déflecteur 12 et la paroi 11 de fond de chambre sont inchangés. Un
fourreau intermédiaire 24 est mis en place dans l'ouverture de la paroi 11
par l'extérieur de la chambre ; il est brasé en 24a le long du bord de
l'ouverture. Le déflecteur est introduit dans le fourreau intermédiaire (24)
par l'intérieur de la chambre. Un fourreau support de déflecteur 26,
annulaire, comprend des dents transversales 26d coopérant avec la rainure
extérieure 12c1 de la bride annulaire du déflecteur. Le fourreau support 26
est glissé axialement par l'extérieur de la chambre avec introduction des
dents 26d dans la rainure 12c1 par les ajours (non visibles) de la rainure.
Une rotation atour de l'axe de l'ouverture permet le crabotage du fourreau
support 26 avec le déflecteur. Pour maintenir la liaison mécanique entre le
fourreau support et le déflecteur, il suffit de souder en 26b le fourreau
support 26 au fourreau intermédiaire 24 à la périphérie qui est éloignée du
déflecteur en CMC.
Le fourreau support 26 comporte une partie cylindrique 26a, formant
coupelle cylindrique de centrage, radialement intérieure qui s'adapte à
l'intérieur de la bride 12c. Au montage à froid, un jeu est ménagé entre la
partie cylindrique 26a du fourreau support et la bride 12c du déflecteur. Le
centrage est assuré par la fixation mécanique à crabot.
A la température de fonctionnement de la chambre de combustion, le
fourreau support de déflecteur, notamment, se dilate plus que le déflecteur
en matériau CMC. La partie cylindrique vient s'appuyer contre la face
interne de la bride 12c avec serrage et assure le centrage du déflecteur.
Le dispositif d'injection de carburant 13 est monté comme précédemment
par l'extérieur de la chambre, une bride transversale 13b étant immobilisée
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entre la face arrière du support de déflecteur 26 et une coupelle d'arrêt 15
brasée sur le support.
