Brevet FR2500905A1 — publié le 19820903

La présente invention concerne d'une manière générale des systèmes de support structuraux dans lesquels des gra- dients thermiques élevés se combinent à des charges mécani- ques élevées pour produire pctentiellement des niveaux inacceptablement élevés de contraintes. En particulier, la présente invention concerne le système de montage arrière des éléments du canal de transition du système de combustion tubo-annulaire d'une turbine à gaz de conception avancée. Plus particulièrement, l'invention concerne des moyens pour fixer fermement les parois des éléments du canal de transition aux éléments structuraux de la turbine à gaz sans provoquer de contraintes thermiques ou mécaniques dépassant celles permises par les matériaux. Le brevet des Etats-Unis nO 3.750.398 montre un montage à gousset classique de l'art antérieur de l'extrémité arrière d'un élément du canal de transition d'une turbine à gaz. Dans ce brevet, de simples-supports (1 pour chaque canal de transition) sont fixés par soudage à l'extrémité arrière du canal de transition, et sont fixés par boulonnage au carter intérieur de la machine. Le brevet des Etats-Unis n0 3.609.968 décrit un c-upport d'élément de canal de transition par soudage et boulons quelque peu similaire. Les brevets des Etats-Unis n0 3.481.146, 2.547.619, 2.529.958 et 2.511. 432 décrivent l'utilisation de dispositifs de montage pivotants pour supporter des parties arrières des éléments du canal de transition. Ces brevets concernent la réalisation de moyens de retenue qui permettent des dépla- cements thermiquement induits le long de divers axes et reconnaissent généralement la nécessité d'éviter une trop grande fixité des systèmes de support du système de combustion. Dans une réalisation recommandée de la présente inven- tion, on réalise un système de support structural pour l'extrémité arrière d'un canal de transition d'un système de combustion de turbine à gaz du type tubo-annulaire. On donne à un élément de base cylindrique, d'épaisseur de paroi choisie, un contour défini et on soude une extrémité du cylindre à la paroi radialement extérieure du canal de transition correspondant réalisant ainsi un raccordement rigide à faible contrainte à la paroi du canal. L'autre extrémité du cylindre porte un raccord à charnière permettant la fixation à un support de montage fixé à l'anneau de retenue du diffuseur permettant ainsi un déplacement par rapport à un axe voulu. L'action du raccord à charnière est amortie à un degré prédé- terminé par l'application d'un couple au moyen d'un boulon permettant ainsi d'empêcher des vibrations mécaniques non voulues et l'usure résultante, tout en permettant des déplace- ments de relaxation des contraintes. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1, une vue de côté en élévation d'un canal de transition d'un système de combustion ayant un dispositif de support arrière de type connu; Figure 2, une vue de côté, en élévation partielle, partiellement en coupe du canal de transition du système de combustion de la figure 1 montrant le système de montage arrière selon la présente invention; Figure 3, une vue de face, partiellement en coupe, montrant les détails du raccord à charnière selon la présente invention; Figure 4, une vue de côté, en élévation partielle, partiellement en coupe, de l'élément du canal de.transition de la figure 2 montrant une autre réalisation de l'élément de raccordement cylindrique fixé à la paroi du canal; et Figure 5, une vue en perspective arrière de l'élément du canal de transition de la présente invention montrant des détails du raccord à charnière non monté. La figure 1 représente, une vue de côté en élévation, d'un élément de canal de transition 10 d'un système de combustion ayant un dispositif de support arrière de type connu indiqué d'une manière générale en 12. L'élément de canal de transition 10 est l'un de plusieurs éléments du canal de transition disposés suivant un motif annulaire comme cela est bien connu des systèmes de combustion pour turbine à gaz de grande puissance du type tubo-annulaire comme représenté par exemple dans le brevet des Etats-Unis n0 3.759.038. Dans la configuration totale, l'élément du canal de transition 10 est de forme cylindrique à son extrémité avant (amont) 10F, o il s'accouple à la partie correspondante 14 de la chemise du système de combustion (partiellement représentée); et passe ensuite à une forme de secteur annulaire à son extrémité arrière (aval) 10A, o il s'accouple au diffuseur du premier étage de turbine représenté d'une manière générale en 16. Un système de coordonnées par rapport à l'axe central ou axe principal de la turbine à gaz a été représenté d'une manière générale en 18, l'axe radial étant orienté vertica- lement par rapport au plan de la feuille de papier, l'axe axial étant orienté horizontalement, et un axe circulaire (non représenté) étant orienté dans le plan de la feuille de papier. La direction du flux de gaz chauds est indiquée par la flèche 20, et on a représenté en traits interrompus 22 un axe central le long d'un plan de symétrie de l'élément du canal de transition. Pour la vue de l'élément de canal de transition 10 comme représenté, l'axe central de la turbine à gaz (non représenté, mais orienté le long de son axe de rotation) est orienté horizontalement et déplacé par rapport à l'élément 10 comme représenté par la flèche 24. En se référant momentanément à la figure 5, on y a représenté une vue en perspective (en regardant vers l'amont) d'une réalisation de l'élément de canal de transition 10 selon la présente invention. Comme représenté, l'extrémité avant F est de forme cylindrique alors que l'extrémité arrière) A prend la forme d'un secteur annulaire. L'arc en traits interrompus "C" représente une partie de la circonférence autour de l'axe principal de la turbine à gaz. Dans des systèmes de combustion du type tubo-annulaire, plusieurs éléments de canal de transition (tels que les éléments de canal de transition 10) sont disposés circulairement autour de l'axe principal de la turbine, et l'extrémité aval de chacun de ceux- ci s'étend circulairement sur un angle égal à 3600 divisé par N, o N est le nombre particulier d'éléments de canal de transition utilisés, généralement 8 à 12. Les N éléments de transition, ensemble, avec un moyen d*'étanchéité approprié (non représenté) entre des éléments adjacents forment un anneau de 360 se déchargeant dans un anneau de diffuseur indiqué (en partie) en 16 sur la figure 1. Pour la figure 5, on a modifié le système de coordonnées. représenté figure 1 pour mettre en évidence la perspective de la figure 5. Comme indiqué, le système de coordonnées modifié 18' montre la direction radiale comme étant verticale à l'axe central du canal 22 et la direction suivant la circon- férence comme étant approximativement horizontale, cependant que la direction axiale (non représentée) est orientée dans le plan de la feuille de papier. En se référant à nouveau à la figure 1, le dispositif de support arrière 12 selon l'art antérieur est constitué basiquement d'un ou plusieurs goussets plats 26 fixés rigi- dement à une extrémité de la paroi extérieure de l'élément de canal de transition 10, et à son autre extrémité à une plaque 27 qui est fixée par des boulons 30 à l'anneau de retenue 28 du diffuseur. Dans les conceptions connues les goussets sont soudés approximativement perpendiculairement à la paroi de l'élément de canal et sont ensuite rattachés à d'autres éléments structuraux de la turbine à gaz par tout moyen disponible. C'est le raccordement entre le gousset et la paroi de l'élément de canal et les contraintes thermi- ques et mécaniques localisées aux extrémités de ce raccorde- ment qui constituent les points principaux à éliminer selon la présente invention. Comme indiqué précédemment, un support axial, radial, tangentiel et de torsion est nécessaire à l'extrémité arrière de l'élément de canal de transition, et pour compléter ces directions de support, l'extrémité avant doit fournir un support radial, tangentiel et de torsion (Tax) par rapport à la direction axiale. Les systèmes de support de l'extrémité arrière de l'art antérieur, tels que décrits, engendrent une entrave à la torsion par rapport à la direction axiale, Tax, à la torsion par rapport à la direction radiale, Tri et à la torsion par rapport à la circonférence, T C. La consé- quence de cette dernière entrave est l'absence d'adaptation aux croissances radiales relatives et aux tolérances de dimensions des nombreuses caractéristiques interfaciales des deux extrémités de l'élément de canal de transition. En plus du système de support global, des moyens d'étanchéité souples appropriés, représentés d'une manière générale en 32, complètent l'extrémité 10A de l'élément de canal de transition au niveau du diffuseur de la turbine de la machine à turbine à gaz. En se référant maintenant à la figure 2, on a représenté en vue de côté partielle, la partie arrière 10A d'un élément de canal de transition, en partie en coupe, montrant un système de montage arrière perfectionné 12', selon la présente invention. Le système de montage arrière 12' est constitué d'un élément de raccordement cylindrique 34; d'un raccord à charnière 36; et d'un support de raccordement de forme donnée 38, qui sont tous ancrés dans l'anneau de retenue 28 du diffuseur au moyen d'un ou plusieurs boulons 30. L'élé- ment cylindrique creux 34 (désigné ci-après par cylindre 34) est tronqué, ayant une extrémité conformée pour s'adapter au contour de la surface de la paroi de l'élément de canal de transition à laquelle elle est soudée. on réalise une soudure à pénétration totale entre la paroi du cylindre 34 et la paroi de l'élément de canal de transition 10A pour la totalité de la circonférence (3600) comme indiqué par les cordons de soudure 40' et 40". Due aux conditions de transfert de chaleur qui prévalent autour des canaux de transition, la température de la paroi du cylindre diminue très rapidement, (à titre d'exemple allant de 7000c environ au raccord entre le cylindre et la paroi du canal) à celle de l'air environnant (environ 3401C). La différence de dilatation thermique entre la paroi chaude de l'élément de canal et le cylindre relativement froid éloigné de la surface de l'élément de canal est absorbé par des flexions et ovalisations de la paroi du cylindre au voisinage du raccord entre le cylindre et l'élément de canal et par des flexions et ovalisations de la paroi sur une région d'approximativement deux fois le diamètre du cylindre. C'est cette répartition largement étalée de la déformation due aux différences de température mises en jeu ainsi que l'élimination des effets d'extrémité du raccord entre le gousset et la paroi dont on se plaint beaucoup moins, des systèmes de support connus décrits précédemment qui donnent les contraintes maximum les plus réduites. L'épais- *seur" t" de la paroi du cylindre et le diamètre "Dl' du cylindre sont choisis pour satisfaire les limitations de contraintes thermiques et mécaniques imposées par les propriétés des matériaux disponibles, l'épaisseur" t' "de la paroi de l'élément de canal, la taille physique de cet élément de canal de transition et l'environnement de fonctionnement de la turbine à gaz particulière. L'autre extrémité du cylindre éloignée de la paroi de l'élément de canal comprend deux parties de berceau 42 dans lesquelles sont ajustés et soudés deux bossages 44 identiques. Les deux bossages 44 comme on le voit mieux en se-référant à la figure 5 sont alignés suivant un axe 46 de la charnière. Du fait que les températures au voisinage des parties de berceau 42 sont très proches de la température de l'air environnant, le raccordement de cette partie du cylindre à l'anneau de retenue du diffuseur du premier étage, s'effectue avec peu de risques d'établissement de contraintes thermiques. En se référant maintenant à la figure 3, on a représenté une vue-en plan schématique, partiellement en coupe, du système de montage arrière 12' perfectionné, et en particulier les détails du raccord à charnière 36. Le cylindre 34 est représenté comme formé avec les deux parties de berceau. 42 dans lesquelles sont soudés les deux bossages 44. Un boulon servant d'axe de charnière 48 traverse à la circonférence) de l'élément de canal de transition. L'usure du raccord à charnière est un problème poten- tiellement sérieux. Il y a deux caractéristiques principales de la présente invention qui concernent la prévention d'une usure du raccord à charnière. La première concerne les faces de friction préchargées entre les rondelles 54 et leurs pièces adjacentes. Le boulon 48 de la charnière fournit un préchargement en étant étiré (application d'un couple) d'une quantité prédéterminée au montage, de sorte qu'on évite des vibrations au niveau de la charnière tout en permet- tant encore la rotation du fait de la croissance radiale relative entre les extrémités avant et arrière de cet élément de canal de transition. Les forces impliquées dans ce dernier mouvement sont beaucoup plus grandes que les forces non permanentes et le déplacement accumulé dû à la croissance radiale relative des deux extrémités de l'élément de canal de transition est petit, résultant seulement des tolérances de montage et des cycles de démarrage et d'arrêt de la machine. La seconde caractéristique réside dans les manchons qui fournissent deux avantages. Premièrement, ils empêchent une charge de cisaillement directe et une usure directe du boulon 48 qui est, du fait de son état étiré, déjà sous une contrainte importante. Deuxièmement, on peut choisir le diamètre et le matériau du boulon pour obtenir le taux le plus satisfaisant de charge par rapport à l'allongement. En outre, le matériau des manchons 50 est choisi pour des propriétés d'usure convenables comme l'est le matériau des rondelles 54. En se référant maintenant à la figure 4, on y a repré- senté une variante de réalisation du système de montage arrière 12' fixé à l'élément de canal de transition 10A. Ce système de montage arrière modifié 12" est constitué d'un élément d'une seule pièce 56 formé d'un élément cylindri- que de raccordement de la paroi de l'élément de canal de transition qu'on désignera ci-après par cylindre d'une seule pièce 56. Alors que l'élément de raccordement cylindrique 34 représenté à la figure 2 était fabriqué à partir d'un cylindre circulaire droit d'épaisseur de paroi t constante soudé directement à la paroi du canal, le cylindre d'une seule pièce 56 peut être fabriqué par coulée, forgeage ou usinage et a des régions de différentes épaisseurs. Le cylindre d'une seule pièce 56, qui comprend une partie de base 58, devient une section d'une seule pièce de la paroi de l'élément de canal de transition lorsqu'il est totalement monté. Le cylindre d'une seule pièce 56 a sa partie de base 58soudée dans la paroi de l'élément de canal 10A comme représenté par le cordon de soudure 60, et l'épaisseur du cylindre d'une seule pièce 56 est rendue égale à l'épaisseur de la paroi de l'élément de canal 10A au joint soudé. Comme repré- sentée, l'épaisseur "t1' dans la-région du cordon de soudure est d'une première valeur, l'épaisseur "'t2" adjacente au raccord à charnière 36 est d'une autre valeur, et l'épaisseur '.t3"s correspondant à la région centrale de la partie de base 58 est encore d'une autre valeur. Egalement, les régions d'épaisseurs différentes sont uniformément raccordées par des filets de configuration voulue. Ce dimensionnement variable a deux fonctions. Premièrement, on fait varier l'épaisseur afin de réduire au minimum les niveaux maximum de contraintes, en particulier dans-la soudure 60 elle-même. Deuxièmement, on élève la longueur totale et la rigidité du cylindre d'une seule pièce 56 en permettant une épaisseur plus grande que celle nécessitée sans établissement de contraintes thermiques excessives. Les aptitudes ultimes de cette autre réalisation sont, en général, plus grandes que celles de la réalisation de la figure 2, mais la complexité C0905 de fabrication et par conséquent les coûts sont plus élevés. Pour faciliter cette fabrication quelque peu complexe, une partie supérieure 56T du cylindre d'une seule pièce 56 peut être fabriquée sous forme d'une entité distincte et réunie par soudage (comme représenté) à la partie de base 56B décrite précédemment. La partie supérieure 56T est de forme semblable à la partie correspondante décrite en liaison avec la réalisation de la figure 2. Les avantages des deux aspects notables de la présente invention, le raccordement cylindrique de la paroi de l'élément de canal. et le raccord à charnière préchargé ou amorti entre l'élément de canal de transition et l'anneau de retenue du diffuseur du premier étage seront aisément appréciés de l'homme de métier. Bien que l'on puisse utiliser les deux agencements structuraux séparément, dans la réalisation recommandée, ces deux agencements structuraux sont complémen- taires pour fournir la totalité des avantages du système de support perfectionné. REVENDICATIONS 1. Système de support (12') pour la fixation de l'extré- mité arrière (10A) d'un élément de canal de transition (10) d'un système de combustion de turbine à gaz à un élément structural lié fonctionnellement (28), caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un élément de base de forme cylindrique (34) conformé pour s'adapter à la surface de l'élément de canal de transition et fixé rigidement à celui-ci; (b) un raccord pivotant à charnière (36) comprenant i) des bossages (42) fixés rigidement à l'élément de base (34); ii) un support (38) ayant une première extrémité agencée pour se loger avec les bossages (42) et une seconde extrémité agencée pour être fixée à l'élément structural fonctionnellement lié (28); iii) un moyen de raccordement (48) ajusté dans les bos- sages (42) et le support (38) pour maintenir les bossages (42) et le support (38) suivant une relation de coopération étroite, et fournir un axe permettant un pivotement relatif entre eux et; iv) ce moyen de raccordement étant configuré pour appli- quer une force prédéterminée entre les bossages (42) et le support (38) pour résister en partie de façon réglée à ce pivotement relatif. 2. Système de support selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le moyen de raccordement (48) comporte un ensemble boulon d'assemblage-écrou de fixation (48,52) pour appliquer la force prédéterminée en réglant le serrage de l'écrou (52) sur le boulon (48). 3. Support selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de base (34) est soudé à la paroi extérieure de l'extrémité arrière (1OA) de l'élément de canal de transition (10), 35.4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de combustion de la turbine à gaz est de type turbo-annulaire avec plusieurs éléments de canal de transition (10) disposés circulairement autour de l'axe longitudinal principal et le système de support (12') comportant plusieurs éléments de base (34) et raccords à charnière (36) pivotants semblables pour réaliser la fixation de l'extrémité arrière (1OA) de. chacun de ces éléments de canal de transition (10) à l'élément structural de la turbine à gaz. -5. Système de support selon la revendication 4, caractérisé en ce que chacun des éléments de base (34) est soudé à la paroi radialement extérieure de l'extrémité arrière (10A) de chacun des éléments de canal de transition (10) disposés circulaire- ment. 6. Système de support perfectionné (12') de l'extrémité arrière (IOA) d'un élément de canal de transition (10) du système de combustion d'une turbine à gaz caractérisé en ce qu'il comprend: a) un élément de base de forme cylindrique (34) conformé pour s'adapter à la surface radialement extérieure de l'extré- mité arrière (1OA) d'un élément de canal de transition (10) et fixé à celui-ci; b) un raccord à charnière (36) comprenant i) au moins un bossage (44) fixé rigidement à l'élément de base (34); ii) un support (38) agencé pour s'emboîter coopérative- ment avec un bossage (44) à une première extrémité, et fixé rigidement à une seconde extrémité à un élément de support choisi dans la turbine à gaz; iii) un moyen de raccordement (48) ajusté dans le bossage (44) et le support (38) pour maintenir le bossage (44) et le support (38) en relation de coopération étroite et fournir un axe permettant un pivotement relatif entre eux; et iv) ce moyen de raccordement (48) étant configuré pour appliquer une force prédéterminée entre le bossage (44) et le support (38) pour résister,en partie de façon déterminée, à ce. déplacement de pivotement relatif. 7. Système de support perfectionné (12') selon la reven- dication 6 caractérisé en ce qu'il comprend deux bossages (44) aligné selon l'axe de pivotement et symétriquement fixés à l'élément de base (34) , le support (38) coopérativement emboîté entre les bossages (44). 8. Système de support perfectionné (12') selon la reven- dication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en plus deux rondelles (54) durcies placées entre les deux bossages (44) et le support (38) coopérativement emboîté pour fournir des surfaces résistant à l'usure. 9. Système de support perfectionné (12') selon la revendi- cation 7, caractérisé en ce qu'il comprend en plus deux manchons (50) placés axialement et s'étendant dans les deux bossages (44) et dans le support (38) suivant l'axe de pivotement (46) pour fournir des surfaces portantes pour le pivotement entre le support (38) et les bossages (44). 10. Système de support perfectionné (12') selon la reven- dication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en plus un ensemble boulon d'assemblage-écrou de fixation (48-52) aligné suivant l'axe de pivotement (46) à l'intérieur des manchons (50) pour appliquer des forces prédéterminées en réglant le serrage de l'écrou (52) sur le boulon (48). 11. Système de support perfectionné (12') selon la reven- dication 6, caractérisé en ce que le pivotement permet un dépla- cement relatif seulement dans une direction voulue entre l'élément de canal de transition (jO) et l'élément de support choisi. 12. Système de support perfectionné (12') selon la reven- dication 6, caractérisé en ce que l'élément de base (34) est de forme cylindrique pour permettre une soudure continue, circulaire entre la paroi de l'élément de canal de transition (10) et cet élément de base pour réduire au minimum les con- centrations de contrainte et éliminer les effets d'extrémité dans la soudure. 13. Système de support perfectionné (12') selon la reven- dication 12, caractérisé en ce que le cylindre (34) a une épaisseur de paroi choisie pour rendre minimum les contraintes thermiques et mécaniques dans la soudure raccordant le cylindre (34) à la paroi de l'élément de canal (10) aussi bien que dans la paroi du cylindre (34) et dans la paroi de l'élément de canal (10) au voisinage de la soudure. 14. Système de support perfectionné (12") selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément cylindrique (56) est fabriqué en une seule pièce avec un élément de base (58) de même forme qu'une partie de la paroi de l'élément de canal (10) et qui remplace cette partie de paroi de l'élément de canal (10) quand il est soudé à la partie restante de l'élément de canal de transition (10). 15. Système de support perfectionné (12") selon la reven- dication 14, caractérisé en ce que le cylindre d'une seule pièce (56) et l'élément de base (58) ont une épaisseur qui varie d'une région à une autre de façon continue au moyen de filets de soudure pour réduire au minimum les contraintes thermiques et mécaniques tout en en élevant au maximum la rigidité mécanique. 16. Système de support perfectionné (12") selon la reven- dication 14, caractérisé en ce qu'une partie du cylindre (56) est fabriquée séparément de l'élément de base et ensuite assemblée à l'élément de base pour supporter les bossages (44) et le raccord à charnière pivotant (36). 17. Système de support perfectionné (12") selon la reven- dication 6, caractérisé en ce que l'élément de base (58) est fabriqué de façon à comporter des régions de différentes épaisseurs. 18. Système de support perfectionné (12") selon la reven- dication 17, caractérisé en ce que 1' élément de base comporte une première partie de base (56B) fixée à la surface extérieure de l'élément de canal de transition (10) et une partie supérieure (56T) assemblée à la partie de base (56B) pour supporter le raccord à charnière pivotant (36).