Brevet FR2468073A1 — publié le 19810430

La présente invention se rapporte aux turbomoteurs et a notamment pour objet une chambre de combustion annulaire de turbomoteur. Il est plus avantageux d'utiliser l'invention dans des turbomoteurs fixes. A l'heure actuelle, dans la construction des turbomoteurs sont utilisées des chambres de combustion annulaires incorporées entre le compresseur et la turbine. En règle générale, la chambre de combustion n'a aucun plan d'assemblage longitudinal et de ce fait l'assemblage des parties constitutives du turbomoteur s'effectue par assemblage successif des pièces du stator avec montage simultané des aubes ou assemblage des rotors de la turbine. Le démontage du turbomoteur s'accomplit suivant la succes- sion inverse. Pour cette raison, la main d'oeuvre nécessaire à la fabrication croit considérablement et l'entretien du turbomoteur devient particulièrement difficile, car il difficile d'accéder aux éléments du turbomoteur pour les examiner et les réparer. C'est pourquoi les constructeurs visent à mettre au point des chambres de combustion annu- laires comportant un joint d'assemblage longitudinal disposé dans le plan d'assemblage des autres parties constitutives du turbomoteur. La plus grande difficulté est de réaliser le tube de flamme de la chambre de combustion, qui est soumis à l'action de hautes températures et dont la construction doit satisfaire à des exigences de rigidité élevée tout en permettant les dilatations thermiques de ses divers éléments, car, autrement, le tube de flamme perdrait sa forme, des contraintes thermiques apparaîtraient et, en conséquence, il se produirait des déformations des éléments du tube de flamme et la formation dans ceux-ci de fissures provoquant la mise hors d'usage tant de la chambre de combustion que de l'ensemble du turbomoteur. Les tentatives faites pour mettre au point une chambre de combustion annulaire avec compensation des dilatations thermiques de ses divers éléments ont abouti à la création d'une chambre de combustion comportant un dispositif à brûleurs disposé dans sa section d'entrée et un tube de flamme formé par deux viroles concentriques l'une extérieure et l'autre intérieure. La virole extérieure est coupée dans le sens longitudinal en tronçons. Chaque tronçon comporte, suivant la ligne de coupe, des saillies et des creux alternés qui entrent en prise mutuelle lors de l'assemblage de la virole, en formant ainsi un assemblage mobile compensant partielle- ment dans le sens circulaire, les déformations thermiques de la chambre de combustion. Cependant, la virole extérieure n'est pas suffisamment rigide dans le cas d'une chambre de combustion de grandes dimensions comme le sont d'ordinaire les chambres de combustion des turbomoteurs fixes. Tous ceci diminue la fiabilité de fonctionnement de la chambre de combustion et de l'ensemble du turbomoteur. On connaît encore une conception de chambre de combustion annulaire facilitant l'assemblage et l'entretien technique du turbomoteur grâce à la présence d'un joint d'assemblage longitudinal de la chambre de combustion coïncidant avec le plan de séparation du turbomoteur. Cette chambre de combustion annulaire comprend un dispositif à brûleurs frontal, fixé dans sa section d'entrée et un tube de flamme formé par deux viroles concentriques dont l'une extérieure et l'autre intérieure. Les viroles ont des surfaces curvilignes. Chaque virole est coupée, dans le sens longitudinal, en tronçons, les endroits de coupe étant fermés par des éléments d'étanchéité exécutés sous forme de deux plaques. La première plaque est réalisée plate et fixée par l'une des extrémités à l'un des tronçons, son autre extrémité reposant librement sur un autre tronçon. Une extrémité de la deuxième plaque est fixée au tronçon sur lequel repose librement la première plaque, et son autre extrémité entoure cette dernière en formant avec celle-ci et avec le tronçon un assemblage mobile du type "tenon-encoche". Pour l'assemblage des tronçons des viroles extérieure et intérieure on a prévu dans la zone d'entrée de la chambre de combustion, un dispositif de renforcement réalisé sous forme d'une charpente ou carcasse massive comportant un joint d'assem- blage longitudinal et composée de plusieurs anneaux massifs. Au moins l'un de ceux-ci entoure les tronçons de la virole extérieure, alors qu'auwmoins un autre anneau entoure les tronçons de la virole intérieure. Ces anneaux sont reliés rigidement entre eux par des nervures, dont deux, situées près du plan horizontal longitudinal dans chaque moitié du joint, forment une bride de joint, tandis qu'une partie des autres nervures sont utilisées pour la fixation de la charpente dans le corps-du turbomoteur. Pour l'assemblage des tronçons des viroles extérieure et intérieure, dans la section de sortie de la chambre de combustion sont prévus d'autres anneaux de renforcement fixés eux aussi rigidement sur le corps du turbomoteur. De la sorte, le dispositif de renforcement sous forme d'une charpente ou carcasse annulaire et les anneaux de renforcement sont fixés rigidement sur le corps du turbomoteur en formant un système rigide unique. La grande différence de température entre la charpente annulai- re et les tronçons-des viroles ayant lieu pendant le fonctionnement de la chambre de combustion, surtout dans des conditions de fonctionnement non stables, fait naître des dilatations thermiques des tronçons l'un par rapport à l'autre et par rapport à la charpente. Chaque tronçon est fixé dans des anneaux dotés d'une rainure circulaire, - à l'aide d'un étrier. Par suite de la fixation rigide de la charpente et des anneaux de renforcement au corps du -' turbomoteur, la rainure et les étriers servent en même k, temps à compenser les dilatations thermiques radiales, 0 circonférentielles etlongitudinales. Pour cette raison, une Et telle fixation est extrêmement compliquée et ne peut pratiquement pas assurer le fonctionnement fiable de la \chambre de combustion, à cause de l'absence des jeux 4thermiques nécessaires, ce qui conduit à la formation de ci ntraintes thermiques provoquant le gauchissement de la chambre de combustion, par exemple dans sa section d'entrée, Ladite chambre perdant ainsi sa forme. mi II- On s'est donc proposé de mettre au point une chambre de combustion annulaire de turbomoteur, dans la- quelle les tronçons des viroles du tube de flamme seraient assemblés aux éléments de renforcement de manière à exclure la formation, dans les tronçons des viroles extérieure et intérieure du tube de flamme de la chambre de combustion, de contraintes dues aux déformations thermiques, tout en assurant une rigidité élevée du tube de flamme. Ce problème est résolu du fait que la chambre de combustion annulaire de turbomoteur, du type comportant un dispositif à brûleurs frontal disposé dans sa section d'entrée, un joint d'assemblage longitudinal coïncidant avec le joint d'assemblage longitudinal du turbomoteur, et un tube de flamme formé par deux viroles à surfaces curvi- lignes, disposées concentriquement, dans une virole exté- rieure et une virole intérieure, dont chacune est coupée longitudinalement en tronçons, les endroits de coupe étant fermés par des éléments d'étanchéité, est caractérisée, suivant l'invention, en ce qu'on a prévu au moins deux éléments annulaires de renforcement présentant un joint d'assemblage longitudinal pour chaque virole, l'un desdits éléments étant disposé dans la zone de la section d'entrée de la chambre de combustion et pouvant se déplacer longitudinalement et radialement, l'autre élément étant situé dans la zone de la section de sortie de la chambre de combustion et pouvant de déplacer radialement, et chaque tronçon de la virole étant lié avec l'élément annulaire de renforcement correspondant de sorte que le tronçon soit fixé rigidement, par sa partie médiane, sur l'élément annulaire, et qu'il soit relié par ses extrémités à l'élément annulaire d'une manière permettant ses déplacements circulaires. Durant le fonctionnement du turbomoteur, les viroles extérieure et intérieure des éléments annulaires de renforcement de la chambre de combustion ainsi que du corps du turbomoteur s'échauffent d'une manière irrégulière, la température la plus élevée étant celle des viroles extérieure et intérieure du tube de flamme et la plus grande différence de température étant celle entre les viroles extérieure et intérieure et les éléments annulaires de renforcement. Pour éliminer la différence de dilatation thermique, dans le sens radial, entre les viroles extérieure et intérieure du tube de flamme de la chambre de combustion et les éléments annulaires de renforcement, les viroles sont partagées en tronçons individuels disposés de façon à laisser entre eux un jeu qui est rendu étanche par des éléments d'étanchéité qui n'empêchent pas la dilatation des sections l'une par rapport à l'autre lors de leur échauffement. Toutefois, cette mesure n'est pas suffisante pour assurer un fonctionnement fiable de la chambre de combustion, car il est aussi nécessaire d'assurer la compensation de déplacements relatifs assez compliqués qui ont lieu, lors des dilatations thermiques, entre les sections des viroles extérieure et intérieure, les éléments annulaires de renforcement et le corps du moteur, de façon à exclure l'apparition dans les tronçons des viroles du tube de flamme, de tensions dues aux déformations thermiques, et en même temps, à préserver leur forme géométrique dans les conditions de fonctionnement. Dans la chambre de combustion conforme à l'invention, est assurée, par des moyens simples, la compensation des déplacements relatifs au cours des dilata- tions thermiques: premièrement, dans le sens circulaire, entre les tronçons des viroles, gràce-à la fixation des tronçons des viroles extérieure et intérieure aux éléments de renforcement annulaires correspondants de sorte que le tronçon soit fixé rigidement par sa partie médiane sur l'élément de renforcement annulaire, qu'il soit relié par ses extrémités à l'élément annulaire d'une manière permettat ses déplacements dans le sens ciruclaire, et qu'en même temps il soit retenu dans le sens radial; deuxièmement, dans les sens longitudinal et radial, entre les éléments annulaires de renforcement et le corps du turbomoteur, grâce à la présence d'au moins deux éléments de renforcement annulaires pour chaque virole, dont l'un se trouve dans la zone de la section d'entrée de la chambre de combustion et peut se déplacer dans les sens longitudinal et radial, tandis que l'autre se situe dans la zone de la section de sortie de la chambre de combustion et peut se déplacer dans le sens radial, ce qui permet de compenser totalement la différence de dilatation thermique entre les tronçons, les éléments de renforcement annulaires et le corps du turbo- moteur. Toutes ces mesures permettent d'éviter la formation de contraintes dues aux déformations thermiques et d'augmen- ter la rigidité de la construction, ce qui a pour effet d'augmenter notablement la fiabilité en fonctionnement de la chambre de combustion annulaire ayant un joint d'assem- blage longitudinal, ainsi que du turbomoteur tout entier. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, avec référence auKdessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale de la chambre de combustion annulaire de turbomoteur selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1; - la figure 3 est une vue suivant la flèche A de la figure 2; - la figure 4 est une vue en coupe suivant IV-IV de la figure 3, à échelle agrandie; - la figure 5 représente l'ensemble B de la figure 2, à échelle agrandie; - la figure 6 est une vue en coupe suivant VI-VI de la figure 5, à échelle agrandie; - la figure 7 est une vue en coupe suivant VII - VII de la figure 2, à échelle agrandie; - la figure 8 représente l'ensemble C de la figure 1, à échelle agrandie; - la figure 9 est une vue en coupe suivant IX-IX de la figure 3; - la figure 10 est une vue en coupe suivant X-X de la figure 2; - la figure 11 est une vue en coupe suivant XI-XI de la figure 10. La chambre de combustion annulaire 1 (figure 1) est installée dans le corps 2 du turbomoteur et se trouve entre le diffuseur 3 du compresseur et le corps 4 de l'aubage directeur 5 de la turbine à gaz. La chambre 1 comporte un joint d'assemblage - longitudinal coïncidant avec le joint d'assemblage longitu- dinal du turbomoteur, et possède un dispositif à brûleurs frontal 6 muni de raccords 7 d'amenée de gaz et placé dans la section d'entrée de la chambre de combustion 1, et un tube de flamme 8. Ce dernier est formé par deux viroles concentriques: l'une extérieure 9 et l'autre intérieure 10. Ces viroles présentent des surfaces curvilignes, à savoir: une surface cylindrique associée à une surface conique dont la section diminue dans le sens du flux de gaz. Chacune des viroles 9 et 10 est coupée longitudinalement en tronçons 11 et 12 (figure 2) respectivement. Les endroits de coupe sont fermés, suivant toute leur longueur, par des éléments d'étanchéité réalisés sous forme de ressorts gaufrés 13 (figure 3). L'une des extrémités du ressort 13 est fixée d'une manière immobile à un tronçon 11, tandis que son autre extrémité s'appuie sur le tronçon 11 voisin, sans toutefois empêcher les dilatations thermiques cir- conférentielles relatives des tronçons. Les éléments d'étanchéité de la virole intérieure 10 sont exécutés d'une manière analogue. Pour assurer un meilleur fonctionnement du ressort 13 faisant office d'élément d'étanchéité, il est prévu des plaques 14 (figure 4) fixées sur le tronçon extérieur 11, sur lequel repose librement l'extrémité du ressort 13. Les plaques 14 s'appuient sur les gaufres du ressort 13 et sont réparties à une certaine distance l'une de l'autresuivant la longueur du tronçon, dans le sens longitudinal. Les tronçons 11 de la virole extérieure 9 et les tronçons 12 de la virole intérieure 10 sont fixés chacun sur au moins deux éléments de renforcement annulaires 15,16 (figure 1) et 17,18, respectivement. La fixation des éléments 11 aux éléments de renforcement annulaires 15,16 (figure 3) est réalisée de la manièresuivante. Dans la zone des éléments de renforce- ment annulaires 15, 16, les tronçons 11 sont fixés rigidement à ceux-ci par leur partie médiane, à l'aide de cornières 19 de tiges 20. Par leurs extrémités, ils sont fixés à l'aide de cornières 21 (figures 5,6) à orifices ovales 22 (figure 5) dans lesquels s 'engagent des tiges 23 montées dans l'élément de renforcement annulaire 16. Il ressort des figures 2, 3, 4, 5 que les tron- çons 11 peuvent se déplacer circonférentiellement par rapport aux éléments de renforcement annulaires 15, 16 (figure 3) au cours des dilatations thermiques. La fixation des tronçons 12 de la virole intérieure 10 aux éléments de renforcement annulaires 17,18 est faite d'une manière analogue. La construction des éléments de renforcement annulaires 15, 16, 17, 18 (figure 1) va maintenant être examinée relativement à l'un de ceux-ci, à savoir, l'&4ment de renforcement annulaire 15 (figure 3), puisque les autres éléments sont réalisés d'une manière analogue. L'élément de renforcement annulaire 15 se compose de deux moitiés 24 et 25 assemblées rigidement l'une à l'autre suivant le joint d'assemblage, par exemple à l'aide de cornières 26. Chacune de ces cornières est fixée à l'une des moitiés 24 ou 25. Les cornières sont réunies entre elles par des boulons 27 assurant un assemblage rigide démontable des deux moitiés. Les éléments de renforcement annulaires 16, 18 (figure 1) situés dans la zone de la section de sortie de la chambre de combustion 1 sont susceptibles de déplacements radiaux libres par rapport au corps 4 de l'aubage directeurS de la turbine à gaz. Ces déplacements libres, par exemple de l'élément de renforcement annulaire 16, sont assurés par un moyen comprenant un support 28 (figure 7) dont lune des extrémités est fixée sur le corps 4 et sur l'autre extrémité duquel est réalisé un tenon s'engageant dans une encoche prévue sur un bossage 29 dont un doigt 30 est introduit dans l'orifice radial -31 de l'élément de renforce- ment annulaire 16. Le support 28 est relié au bossage 29 à l'aide d'un doigt 32 bloqué par une goupille. Les déplacements radiaux libres de l'élément de renforcement annulaire 16 sont assurés par un épaulement 33 (figure 8) réalisé sur l'élément 18 et s'engageant dans une rainure 34 du corps 4, en immobilisant ainsi l'élément de renforcement annulaire 18 longitudinalement tout en lui permettant de se déplacer radialement par rapport au corps 4 au cours des dilatations thermiques. Pour la protection thermique du corps 4, on a prévu des écrans 35 fixés aux tronçons 12. L'élément de renforcement annulaire 15 (figure 1) situé dans la zone de la section d'entrée de la chambre de combustion 1 peut se déplacer longitudinalement et radiale- ment par rapport au corps 2. A cet effet, dans le plan de Joint de l'élément 15 (figure 5) sont fixées des plaques 37 (figure 9) placées dans des logements 38 de la bride du joint longitudinal du corps 2, avec un jeu radial 39 (figure 10) et un Jeu longitudinal 40. L'élément de renforcement annulaire 17 (figure 1) disposé dans la zone de la section d'entrée de la chambre de combustion 1 peut se déplacer longitudinalement et radialement par rapport au diffuseur 3. Dans ce but, dans le plan de joint de l'élément 17 (figure 11) sont fixées des plaques 41 placées dans des logements 42 de la bride de joint longitudinal du diffuseur 3, avec un jeu radial 43 (figure 10) et un jeu longitudinal 44. Dans le but d'augmenter la rigidité et l'étancMité du joint d'assemblage de la virole intérieure 10, cette dernière est armée de demi-anneaux auxiliaires 45 et 46 (figures 1,10) qui sont reliés à elle comme les éléments circulaires 17 et 18. Pour faciliter le démontage de la chambre de combustion 1, les demi-anneaux 45 et 46 n'ont pas de fixation rigide entre eux, mais prennent simplement appui l'un sur l'autre dans le plan de joint et sont immobilisés radialement l'un par rapport à l'autre, par exemple à l'aide d'un clavetage. Pour diminuer la température du diffuseur 3, aux éléments de renforcement annulaires 17 et 18 sont fixés, entre le diffuseur 3 et la virole intérieure 10 (figure 10), des écrans 47 constitués d'une rangée de viroles cylindri- ques ouvertes dans le plan d'assemblage. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la revendication qui suit. R E V E N D I C A T I 0 N Chambre de combustion annulaire de turbomoteur, du type comportant un dispositif à brûleurs frontal disposé dans sa section d'entrée, un joint d'assemblage longitudinal coïncidant avec le joint d'assemblage longitudinal du moteur, et un tube de flamme formé par deux viroles concentriques, l'une extérieure et l'autre intérieure présentant des surfaces curvilignes et dont chacune est coupée longitudinalement en tronçons, les endroits de coupe étant fermés par des éléments d'étanchéité, caractérisée en ce que dans la chambre de combustion sont prévus au moins deux éléments de renforcement annulaires comportant un plan d'assemblage longitudinal pour chacune des viroles et dont l'un se trouve dans la zone de la section d'entrée de la chambre de combustion et peut se déplacer longitudi- nalement et radialement, tandis que l'autre est logé dans la zone de la section de sortie de la chambre de combustion et peut de déplacer radialement, chacun des tronçons des viroles étant lié à l'élément de renforcement annulaire correspondant de sorte qu'il soit fixé rigidement par sa partie médiane sur l'élément annulaire et q'uil soit relié par ses extrémités à l'élément annulaire d'une manière permettant ses déplacements circonférentiels.