Brevet FR2479903A1 — publié le 19811009

La présente invention concerne des turbines à gaz et, en particulier, l'écran thermique de l'injecteur de carburant qui est fixé à l'extrémité avant d'une chambre de combustion annulaire. De façon bien connue dans la techniques des turbines à gaz, la durabilité des éléments constitutifs d'une turbine de ce type est d'une importance primordia- le et, bien entendu, plus longue est la durée de vie des éléments de la turbine, plus longtemps cette der- nière pourra fonctionner sans devoir envisager une mise hors service coûteuse de l'aéronef pendant la période nécessaire pour procéder à la réparation ou au remplace- ment de ces éléments. En conséquence, l'élaboration d'éléments pouvant résister au milieu ambiant hostile auquel ils sont exposés, constitue une préoccupation constante. Comme on peut s'y attendre, une zone de la turbine qui pose des problèmes particulièrement diffici- les à résoudre, est la chambre de combustion et, en par- ticulier, l'interface entre les injecteurs de carburant et la garniture intérieure de la chambre de combustion. Le guide prévu pour l'injecteur de carburant et qui as- sure l'étanchéité de ce dernier à l'extrémité avant de la chambre de combustion annulaire, est soumis à des contraintes thermiques considérables et a posé jusqu'à présent un problème d'entretien. Jusqu'à présent, l'écran thermique était soli- daire de la paroi de la garniture intérieure. Cet écran thermique sert non seulement à protéger la struc- ture de l'injecteur, mais il fait également office de support pour le guide sur lequel prend finalement appui l'injecteur de carburant. Etant donné que la températu- re régnant en amont de l'écran thermique à proximité de l'injecteur de carburant est inférieure à celle. de la structure de cet écran thermique, les contraintes thermiques importantes ont tendance à réduire la durée de vie utile de ce dernier. En raison de la conception technique habituellement adoptée jusqu'à présent, la réparation et/ou le remplacement ont posé un problème complexe du fait qu'il est nécessaire de découper la structure de l'écran thermique hors de la garniture in- térieure pour procéder à sa réparation ou à son rempla- cement, opération qui exige un nouveau soudage. La Demanderesse a constaté que l'on pouvait éviter les problèmes-énoncés ci-dessus en établissant une séparation entre la structure exposée à une tempéra- ture élevée et la structure exposée à une température plus basse, permettant ainsi une dilatation thermique sans entrave. De même, suivant la présente invention, le démontage de l'écran thermique est simplifié et les frais d'entretien de ce dernier sont réduits en permet- tant son démontage sans compromettre l'intégrité de la garniture intérieure prévue pour la chambre de combus- tion et dans laquelle cet écran thermique est supporté. Un objet de la présente invention est de fournir un écran thermique perfectionné pour l'injecteur de car- burant monté sur l'extrémité avant d'une chambre de com- bustion annulaire d'un groupe propulseur du type à tur- bine. Une caractéristique de la présente invention ré- side dans la séparation établie entre l'écran thermique et la cloison de la garniture intérieure à ouïes normalement plus froide afin de permettre une dilatation et une contraction thermiques sans entrave. Une autre caractéristique de la présente inven- tion réside dans une localisation judicieuse des trous d'air de refroidissement dans le but d'améliorer le re- froidissement, ainsi que des trous de purge d'air desti- nés à empêcher le confinement de la flamme. D'autres caractéristiques et avantages apparaî- tront à la lecture de la description et des revendica- tions ci-après, en se référant aux dessins annexés qui illustrent une forme de réalisation de l'invention; dans ces dessins: la figure 1 est une vue partielle en partie schématique et en partie en coupe illustrant l'écran thermique de la technique antérieure qui est habituel- lement réalisé d'une seule pièce avec la chambre de combustion; la figure 2 est une vue en élévation illustrant les détails de la présente invention; la figre 3 est une vue en coupe prise suivant la ligne 3-3 de la figure 2; la figure 4 est une vue partielle par le dessus de la figure 2; et la figure 5 est une vue en coupe illustrant une autre forme de réalisation de la présente invention. Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, le système de l'invention est conçu pour protéger et fixer l'injec- teur de carburant à l'extrémité avant d'une chambre de combustion annulaire, par exemple, du type utilisé sur la turbine "JT-9D" fabriquée par le "Pratt and Whitney Aircraft Group of United Technologies Corporation" qui est la Demanderesse de la présente et auquel il est fait référence ici. La structure de la technique anté- rieure est illustrée en figure 1 et, comme on peut le constater, on n'y représente qu'un seul des différents guides d'injecteurs de carburant 10. Toutefois, on comprendra que plusieurs de ces dispositifs sont montés circonférentiellement autour de l'extrémité avant de la chambre de combustion annulaire désignée d'une manière générale par le chiffre de référence 12. La chambre de combustion formée au départ de la garniture intérieure à o u; e s de conception classique comprend un organe de garnissage annulaire extérieur 16 et un organe de gar- nissage annulaire intérieur 14 qui sont réunis l'un à l'autre pour définir une chambre de combustion à confi- guration toroidale 18. Le guide prévu pour l'injecteur de carburant (non représenté) sert à supporter ce der- nier dans l'extrémité avant de la chambre de combustion, tout en lui permettant de se déplacer par rapport à la garniture. Dès lors, le guide supportant l'injecteur de carburant est empêché de se déplacer axialement, mais il peut se déplacer radialement ainsi qu'on le décrira ci-après en détail. Dans cette forme de réalisation, le guide comporte, sur son extrémité arrière dirigée vers la chambre de combustion 18, un rebord s'étendant radialement et qui fait office d'écran thermique pour protéger l'injecteur de carburant et sa structure sup- port. L'invention peut être le mieux comprise en se référant aux figures 2-4 qui illustrent un des guides d'injecteurs de carburant, ainsi qu'un écran thermique et une structure support. Comme on peut le constater, la garniture de la chambre de combustion comporte, à son extrémité avant, un élément annulaire réunissant la partie intérieure et la-partie extérieure de la garni- ture et dans lequel sont pratiquées plusieurs ouvertures espacées circonférentiellement pour recevoir chaque gui- de d'injecteur et la structure qui y est associée. Pour de plus amples détails concernant cette forme de réalisa- tion, on se référera à la turbine "JT-9D" dont question ci-dessus. Comme le montre la figure 3, une cloison usi- née 20 est soudée à la paroi avant 22 de la chambre de combustion, cette cloison servant à supporter, sans ser- rage, l'écran thermique désigné d'une manière générale par le chiffre de référence 24, ainsi que le guide d'in- jecteur de carburant 26. L'écran thermique 24 comprend deux anneaux 28 et 30 qui sont soudés bout à bout in situ le long du cordon 32 après y avoir emprisonné la cloison usinée 20. Le rebord 34 du guide d'injecteur de carbu- rant 26 vient appuyer contre la face de l'anneau 28. L'élément en H 40 sert à fixer par glissement le guide d'injecteur de carburant 26 à l'écran thermique 24 et à la cloison 20 de la garniture. La branche avant 42 de l'étrier en H 40 est soudée à la face du guide d'injec- teur de carburant 26 le long du cordon 44 en emprison- nant l'anneau 28 et le rebord dressé de la cloison usi- née 20. La partie transversale de jonction 46 de l'étrier en H voyage radialement dans les rainures com- plémentaires 48 et 50 définies dans l'anneau 28 et le rebord dressé de la cloison usinée 20. D'après la description ci-dessus, il est évi- dent que le guide d'injecteur de carburant 26 assujetti à l'étrier en H 40 est empêché de se déplacer axialement par les parois parallèles espacées de ce dernier, cepen- dant qu'il peut se déplacer radialement dans les limi- tes des rainures 48 et 50. En outre, l'étrier en H 40 sert à empêcher la rotation de l'écran thermique 24. il est également évident que l'écran thermique 24 est un élément d'une seule pièce qui n'est maintenu en place que par le fait qu'il est emprisonné entre les rebords de la cloison de la garniture et le guide d'in- jecteur de carburant en y étant retenu par l'étrier en H. Lors du fonctionnement de la turbine et alors qu'il y a allumage du carburant dans la chambre de combustion, l'anneau 30 de l'écran thermique est exposé à la tempé- rature la plus élevée, tandis que la cloison de la gar- niture est exposée à une température nettement plus bas- se. En conséquence, cette importante différence de tem- pérature qui, jusqu'à présent, soumettait la combinaison cloison usinée/écran thermique de la technique antérieu- re à d'importantes contraintes thermiques, avait pour conséquence de réduire la durée de vie de cette derniè- re. Grâce à la présente invention qui prévoit une sépa- ration de l'écran thermique en lui donnant la possibili- té de se contracter et de se dilater indépendamment de l'autre structure y associée, la durée de vie de cet écran thermique est nettement prolongée. Selon un autre aspect important de la présente invention, on minimise le problème que pose la présence de points d'échauffement localisés en raison du confine- ment de la flamme qu'occasionnent des zones de stagna- tion dans la chambre de combustion. De façon bien con- nue, la combustion est entretenue dans des zones de re- cyclage de la chambre de combustion qui sont relative- ment calmes en ce qui concerne la vitesse des courants gazeux. Dès lors, les zones de stagnation existant à proximité du point d'injection du carburant auront pour effet de confiner la flamme. Evidemment, une zone de confinement de flamme à un endroit inopportun n'est pas souhaitable dans la mesure o elle provoque un échauffe- ment de la matière environnante. Suivant la présente invention, on empêche ce confinement en ménageant plu- sieurs ouvertures 51 dans la face du rebord 34 du guide d'injecteur de carburant 26. L'air du compresseur qui circule en amont de la chambre de combustion, passe par ces ouvertures 51 en purgeant ainsi l'espace annulaire 52 défini entre le guide d'injecteur de carburant 26 et l'écran thermique 24. Le refroidissement de l'écran thermique et de la cloison usinée 20 est assuré en faisant passer l'air -déchargé du compresseur à travers des ouvertures 54 et 56 ménagées dans la cloison usinée et qui sont locali- sées de telle sorte que l'air de refroidissement vienne heurter le dos de l'élément de l'écran thermique qui est tourné vers les flammes, cet air étant dirigé de façon à assurer un refroidissement pelliculaire de la cloison usinée. La figure 5 illustre une autre forme de réalisa- tion de la présente invention qui est en majeure partie identique à la structure illustrée dans les figures 2-4. La différence importante réside dans le fait que l'an- neau 28 et le cordon de soudure bout à bout y associé 32 sont supprimés et remplacés par un anneau 30' qui est serti in situ à l'extrémité 60 pour venir appuyer con- tre un épaulement 62 formé sur le diamètre intérieur de la cloison 20. Cette version modifiée permet d'utiliser des pattes espacées circonférentiellement 66 qui servent à localiser axialement l'anneau 30', tout en l'empêchant de se déformer suite à la haute température dégagée par la combustion et à laquelle il est exposé, en entravant ainsi l'écoulement de l'air de refroidissement sortant des ouvertures 54 et 56. On comprendra que, dans les deux formes de réa- lisation, le remplacement de l'écran thermique est faci- lité,.étant donné que son démontage est considérablement simplifié. Ainsi qu'on l'a mentionné précédemment, l'écran thermique habituellement utilisé jusqu'à pré- sent dans la technique antérieure et qui est illustré en figure 1, est solidaire de la chambre de combustion, si bien que son enlèvement exige le découpage de la structure de cette dernière. Dans la forme de réalisa- tion illustrée dans les figures 2-4, l'écran thermique est enlevé en détachant simplement le cordon de sou- dure 32 pour séparer les anneaux 28 et 30 après avoir démonter le guide d'injecteur de carburant. Dès lors, on pourrait souder de nouveaux anneaux in situ et remet- tre le guide d'injecteur de carburant en place sans tou- cher à la structure de la garniture de la chambre de com- bustion. Dans la forme de réalisation illustrée en figu- re 5, il suffirait de dessertir l'anneau 30' pour enle- ver l'écran thermique, un nouvel anneau étant ensuite serti en place de la manière décrite ci-dessus. Il est entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation particulières illustrées et décrites ici, diverses modifications pouvant y être ap- portées sans se départir de l'esprit et du cadre de-son nouveau concept tel qu'il est défini par les revendica- tions ci-après. REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion annulaire pour un groupe propulseur du type à turbine, caractérisée en ce qu'elle comprend une extrémité avant de forme torol- dale dans laquelle circulent les produits de combustion, plusieurs guides d'injecteurs de carburant et plusieurs écrans thermiques montés dans des trous espacés circon- férentiellement dans cette extrémité avant en vue de supporter, d'étanchéifier et de protéger des injecteurs conçus pour acheminer le carburant dans la chambre de combustion annulaire, ces guides et ces écrans thermi- ques comprenant un manchon comportant un rebord avant s'étendant au-delà de l'ouverture associée, un élément à section transversale en U comportant une partie dres- sée espacée parallèlement du rebord avant du manchon, un premier et un second élément annulaires réunis l'un à l'autre in situ et ayant une section transversale en U, une branche du premier élément annulaire étant parallè- le à et venant buter contre la face du rebord avant, tandis que l'autre branche du second élément annulaire comporte une face avant destinée à protéger le guide d'injecteur de carburant et l'écran thermique vis-à- vis de la flamme brûlant dans la chambre de combustion, une cloison comportant un rebord s'étendant parallèle- ment à et venant buter contre la branche précitée du premier élément annulaire, ainsi qu'un élément destiné à assujettir le manchon, les premier et second éléments annulaires et la cloison, de telle sorte quele manchon puisse coulisser par rapport à cette cloison. 2. Chambre de combustion annulaire suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un étrier comportant un corps en H dont une branche est réunie à la face du rebord du manchon et dont l'autre branche vient appuyer contre la face éloignée de la cloison, la partie transversale de ce corps en H étant disposée dans des rainures complémentaires ménagées dans le premier élément annulaire et dans la cloison. -2479903 3. Chambre de combustion annulaire suivant la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen destiné à empêcher le confinement de la flamme à proximité du manchon, ce moyen étant constitué de trous pratiqués dans le rebord du manchon en alignement axial avec l'espace défini entre le manchon et la par- tie inférieure des premier et second éléments annulaires à configuration en U 4. Chambre de combustion annulaire suivant la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen destiné à refroidir l'écran thermique, ce moyen consistant à diriger de l'air de refroidissement de plusieurs ouvertures pratiquées dans la cloison sur la face dorsale du second élément annulaire et définir un espace libre entre ce dernier et la cloison afin de former une pellicule d'air de refroidissement. 5. Chambre de combustion annulaire pour une tur- bine à gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend une pa- roi avant de forme pratiquement toroîdale, des guides d'injecteurs de carburant à écrans thermiques disposés dans plusieurs ouvertures espacées circonférentiellement dans cette paroi avant en vue de supporter, d'étanchéi- fier et de protéger thermiquement des injecteurs conçus pour acheminer le carburant dans la chambre de combus- tion, une cloison supportée dans chacune des ouvertures et ayant une section transversale en U avec une branche espacée s'étendant vers le haut, chaque guide d'injec- teur de carburant à écran thermique comprenant un man- chon comportant un rebord avant s'étendant parallèlement à et venant appuyer contre une face de la branche préci- tée, un épaulement formé sur la partie inférieure de l'organe en U, un anneau comportant une partie inférieu- re concentrique et une face formant écran thermique qui s'étend à l'arrière de l'autre branche de la partie en U en en étant espacée, l'extrémité avant de cette partie inférieure de l'anneau ayant un diamètre croissant pour venir appuyer contre l'épaulement et être ainsi fixée, plusieurs ouvertures axiales pratiquées dans le rebord du manchon pour diriger l'air dans l'espace défini en- tre la paroi inférieure de l'anneau et le manchon en empêchant ainsi un confinement de la flamme à proximité, plusieurs pattes espacées circonférentiellement entre l'écran thermique et le rebord de la cloison définis- sant un espace entre eux, ainsi qu'un élément par le- quel de l'air froid est acheminé à travers les ouvertu- res du rebord de la cloison pour venir heurter l'écran thermique, formant ainsi une pellicule d'air de refroi- dissement dans l'espace débouchant dans la chambre de combustion.