Brevet FR2479900A1 — publié le 19811009

I La présente invention concerne des garnitures intérieures de chambres de combustion pour des turbines à gaz et, plus particulièrement, la fabrication d'une garniture intérieure de ce type au moyen de panneaux in-. dividuels comportant des passages pour l'écoulement d'un fluide de refroidissement en contre-courant/paral- lèle, ces panneaux étant disposés en segments à la fois dans le sens circonférentiel et dans le sens axial. La présente invention constitue un perfectionne- ment vis-à-vis de la configuration de garniture inté- rieure décrite et revendiquée dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique N 3.706.203 accordé le 19 décembre 1972 aux noms de P. Goldberg et I. Segalman, lequel a été cé- dé à la Demanderesse et est mentionné ici à titre de ré- férence. Dans ce brevet, on décrit une garniture inté- rieure lamifiée comportant des parois espacées ayant la configuration d'un cercle continu afin de définir la chambre de combustion. Les parois définissent des ouïes et, à chaque section en gradins, l'extrémité d'amont est exposée à la poche d'air de refroidissement venant du compresseur et qui entoure la garniture intérieure, si bien que l'air de refroidissement circulant à travers les passages longitudinaux définis entre les parois es- pacées pénètre dans la chambre de combustion pour main- tenir la garniture intérieure à une température toléra- ble. Dans la demande de brevet déposée par P. Gold- berg, I. Segalman, W. B. Wagner et I. Tanrikut, on dé- crit la fabrication d'une garniture intérieure de cham- bre de combustion en un matériau désigné par la marque commerciale déposée "Finwall", cette garniture étant réalisée de façon à obtenir une relation d'écoulement en contre-courant/parallèle et assurer ainsi un meilleur refroidissement pelliculaire par convection. Tout comme les garnitures des types connus jusqu'à présent, cette garniture intérieure de chambre de combustion est réali- sée en cercles continus ou complets avec les importan- tes contraintes circonférentielles qui en résultent sui- te aux gradients de température extrêmes se manifestant dans le sens radial en présence du milieu hostile d'une chambre de combustion. Dans la demande de brevet déposée au nom de 1. L. Dubell, on utilise un matériau "Finwall" pour la réalisation de la garniture intérieure, mais des sec- tions de ce matériau sont assemblées mécaniquement à la paroi plus froide, laquelle, au même titre que les chambres de combustion connues jusqu'à présent, est un cercle continu. La Demanderesse a constaté que l'on pouvait ob- tenir une garniture -intérieure de chambre de combustion perfectionnée en réalisant cette garniture à partir de sections individuelles segmentées dans une direction circonférentielle et axiale, tout en étant supportées par une armature en treillis ouvert disposée dans la poche d'air froid entourant la garniture intérieure de la chambre de combustion. Chaque segment, qui est cons- titué de plusieurs panneaux pouvant être en une cons- truction à paroi double avec des passages longitudinaux et une circulation de fluide de refroidissement en con- tre-courant/parallèle, supporte, sur les extrémités de la paroi plus froide, un crochet venant s'engager dans un anneau formé dans le treillis de l'armature. Le cro- chet et l'anneau ont des dimensions calculées de façon à ménager un jeu suffisant pour permettre un mouvement libre limité du segment par rapport à l'armature et em- pêcher ainsi l'apparition de contraintes suite à un coin- cement de ce segment. 0 Suivant l'invention, on envisage d'utiliser des joints d'étanchéité à languette et rainure afin de mini- miser les fuite- entre des segments adjacents. Comme le comprendra l'homme de métier, cette construction segmentaire se prête à une fabrication de chaque segment par moulage plutôt qu'en utilisant des tôles métalliques, permettant ainsi l'emploi de matiè- res ayant de meilleures caractéristiques que les tôles métalliques utilisées comme matière première jusqu'à présent. Par exemple, chaque segment pourrait être mou- lé au départ de la même matière que celle utilisée pour fabriquer les aubes de turbines. Un objet de la présente invention est de four- nir une garniture intérieure de chambre de combustion perfectionnée pour une turbine à gaz. Suivant une caractéristique de l'invention, la garniture intérieure de chambre de combustion est réa- lisée en segments individuels disposés axialement et circonférentiellement pour former l'ensemble de la gar- niture. Une armature comportant des anneaux circonfé- rentiels supporte chaque segment, lequel est muni de crochets destinés à venir s'engager dans ces derniers et qui sont montés sur la paroi plus froide du segment. Les tolérances entre les crochets et les anneaux sont calculées de façon à permettre une liberté de mouvement totale et minimiser ainsi l'apparition de contraintes thermiques exagérées dans les segments. La présente invention permet de fabriquer les panneaux par moulage en tirant profit au maximum des différents types de matières que l'on peut utiliser. D'autres caractéristiques et avantages apparaî- tront à la lecture de la description et des revendïca- 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 perspective et en partie éclatée illustrant la configuration segmen- taire élaborée pour une chambre de combustion annulai- re; et la figure 2 est une vue en perspective illus- trant les détails d'un segment. Comme le comprendra l'homme de métier, bien que, dans sa forme de réalisation préférée, l'invention soit illustrée en se référant à une chambre de combustion an- nulaire, le cadre de l'invention englobe également l'u- tilisation d'une enveloppe de brûleur ou d'une combinai- son des deux. Les figures 1 et 2 illustr nt le segment inté- rieur 10 et le segment extérieur 12 de la garniture in- térieure, ces segments étant espacés concentriquement autour d'un axe en définissant les parois intérieure et extérieure de la chambre de combustion annulaire. Une cloison 14 réunit les deux segments à une extrémité dont elle assure l'étanchéité, et cette cloi- son supporte plusieurs injecteurs de carburant (non re- présentés) conçus pour venir s'adapter dans les ouver- tures 16 espacées circonférentiellement. Comme le mon- tre plus clairement la Figure 1, les panneaux intérieur et extérieur de la garniture sont constitués de plu- sieurs segments rectangulaires et généralement courbes 18 qui sont assemblés à l'armatuIre support 2;.ar emboî- tement. Cette armature support est un treillis ouvert comportant plusieurs fenêtres 22 par-dessus lesquelles s'étendent les segments. L'armature est constituée fon- -damentalement de nervures 24 s'étendant axialement par rapport à l'axe de la turbine, aàinsi que d'anneaux cir- conférentiels 26. Ces derniers comportent une lèvre 28 sur laquelle vient s'engager un crochet 30 formé sur le segment. Dès lors, les segments viennent s'adapter cha- cun dans le système à languette et rainure en étant com- binés pour former la structure de base cylindrique de la. garniture. D'après la description ci-dessus, il est évident que les segments sont montés dans le sens circonféren- tiel et le sens axial définissant la chambre de combus- tion. Dès lors, cette structure est constituée de seg- ments s'étendant dans le sens circonférentiel, ainsi que de segments s'étendant dans le sens axial. Les con- traintes circonférentielles auxquelles on a été confron- té antérieurement, sont maintenues à un minimum en per- mettant, aux segments, de se dilater thermiquement avec des contraintes minimales. Chaque crochet et chaque an- neau disposent d'un jeu suffisant pour permettre leur dilatation thermique et éviter leur coincement avec les contraintes excessives qui en -résultent. Afin d'empêcher des fuites exagérées autour de chaque segment, des joints d'étanchéité à languette et rainure sont adaptés dans des gorges 39 le long du côté de chaque segment. Ainsi qu'on l'a mentionné précédem- ment, l'armature est montée sur la paroi extérieure des segments de la garniture qui est exposée à l'air plus froid débité par le compresseur (non représenté) de la turbine. Evidemment, la combustion est confinée entre les segments intérieurset extérieurs de la garniture. Comme le montre la figure 2, chaque segment est constitué d'une paroi intérieure 36 et d'une paroi exté- rieure 38, la paroi intérieure ou paroi chaude 36 étant plus proche de l'espace de combustion, tandis que la pa- roi extérieure ou paroi froide 38 est plus proche de l'air de refroidissement. Aux parois intérieure et ex- térieure 36 et 38, sont fixées, entre ces dernières, plusieurs parois associées 40 s'étendant dans le sens axial pour définir des passages longitudinaux 42. L'air froid provenant de la poche adjacente est acheminé dans chacun de ces passages longitudinaux par des ouver- tures d'admission 44 disposées autour de la circonféren- ce de la paroi froide 38 et entre les extrémités des passages longitudinaux 42. De la sorte, une partie de l'air de refroidissement circule en contre-courant, tan- dis que le reste de cet air est dirigé parallèlement au sens d'écoulement des produits de combustion dans la 7)5 chambre de combustion. Cette utilisation de segments Individuels pour former la garniture intérieure offre l'avantage de per- mettre le moulage de chaque segment au départ de matières particulières du type utilisé pour fabriquer les aubes de turbine. C'est ainsi que chaque panneau pourrait être moulé au départ d'une matière pour turbines bien connue possédant de meilleures propriétés de résistance à la chaleur et de résistance à la fatigue thermique et mécanique, comparativement aux tôles métalliques utili- sées jusqu'à présent. L'utilisation de segments indi- viduels offre également l'avantage de pouvoir mouler les passages de refroidissement dans le panneau, permet- tant ainsi d'adopter des techniques de refroidissement complexes dans le but de réduire les gradients de tempé- rature et, éventuellement, les débits de fluide de re- froidissement requis. En outre, la dilatation et les déformations de la garniture intérieure sont moins sus- ceptibles d'altérer les configurations des passages d'air de refroidissement, assurant ainsi un refroidisse- ment uniforme pendant toute la durée de mise en service de la garniture. Parmi les techniques disponibles pour le moulage des panneaux, il y a le moulage équiaxial, le moulage par solidification directionnelle et le moulage par formation de monocristaux. Pour de plus amples dé- tails relatifs à des exemples de techniques de moulage, on se référera aux brevets des Etats-Unis d'Amérique 3.260.505 et 3.494.709. Des ergots 50 ressortent à travers l'armature à des endroits distincts et en alignement avec une rainure 52 ménagée dans le panneau, ces ergots pouvant être uti- lisés pour localiser et guider les segments en place lors de l'assemblage. Bien que les panneaux individuels prévus sur les segments soient réalisés sous forme de parois à écoule- ment en contre-courant/parallèle, dans le cadre de la présente invention, on peut également envisager d'adop- ter d'autres techniques de refroidissement pour ces panneaux. Ce que l'on juge important dans la présen- te invention est de résoudre le problème que posent d'importantes contraintes circonférentielles dans une garniture intérieure en cercle continu qui est soumise à des gradients de température extrêmes se manifestant dans le sens radial en travers des parois de la garni- ture. Comme illustré dans la présente spécification, l'invention permet de supprimer pratiquement ou du moins 1() de minimiser ces contraintes circonférentielles en empi- lant des segments dans le sens circonférentiel et dans le sens axial pour définir le contour de la garniture. Il est entendu que l'invention n'est pas limi- tée aux formes de réalisation particulières illustrées et décrites ici, diverses modifications pouvant y être apportées sans se départir de l'esprit et du cadre de son nouveau concept tel qu'il est défini pai les reven- dications ci-après. REVENDICATIONS 1. Garniture intérieure de chambre de combus- tion pour une turbine à gaz, cette garniture étant dis- posée dans une cavité alimentée en air de refroidisse- ment, caractérisée en ce qu'elle comprend une armature du type en treillis disposée dans cette cavité, plu- sieurs segments rectangulaires supportés par cette ar- mature et empilés dans le sens circonférentiel et le sens axial, tout en étant profilés pour définir la cham- bre de combustion, ces segments étant localisés entre les produits de combustion et l'armature, des éléments destinés à refroidir ces segments, ainsi que des élé- ments conçus pour permettre la dilatation thermique de ces derniers grâce à un mouvement relativement libre, de façon à éliminer pratiquement les contraintes circon- férentielles. 2. Garniture intérieure de chambre de combus- tion suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments de refroidissement comprennent des pan- neaux espacés axialement et comportant chacun une paroi extérieure circonscrivant la partie circonférentielle de chaque segment, des éléments reliant les segments à la paroi extérieure en définissant des passages allongés à extrémités ouvertes, ainsi que des éléments par lesquels l'air de refroidissement provenant de la cavité environ- nante peut pénétrer dans ces passages en un point situé entre les extrémités de ces derniers afin de diriger une partie de l'air de refroidissement en contre-courant et une autre partie, parallèlement à la circulation des pro- duits de combustion dans la chambre de combustion. 3. Garniture intérieure de chambre de combustion suivant la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend, sur l'extrémité de chaque segment, un élément d'accrochage prenant appui sur un anneau circonférentiel défini par l'armature. 4. Garniture intérieure de chambre de combus- tion suivant la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend des joints d'étanchéité à languette et rainure à proximité de chaque segment. PAR PROCURATION de: UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION LE MANDATAIRE: R. BAUDIN