Brevet FR2538508A1 — publié le 19840629

DV 08185 L'invention concerne de manière générale les cham- bres de combustion et, plus particulièrement, des moyens permettant de diminuer les contraintes thermiques qui y sont induites. On peut obtenir des niveaux accrus de performance des moteurs à turbine à gaz en augmentant leurs températures de fonctionnement En faisant cela, on expose les chambres de combustion de ces moteurs à des températures extrêmement élevées et à de grandes variations de températures pendant le fonctionnement du moteur Pour résister à ces températu- res relativement élevées et fluctuantes on a développé de nouveaux alliages qui ont des caractéristiques physiques améliorées. En outre, on a développé des techniques et des structures de refroidissement de chambre de combustion per- fectionnées pour diminuer les températures subies par la chambre de combustion Par exemple, un mode de réalisation de chambre de combustion comporte une série de segments an- nulaires de chemise qui définissent une limite extérieure pour contenir les gaz de combustion relativement chauds Ces segments de chemise sont réunis par des éléments de raccor- dement de refroidissement annulaires, ou raccords, qui re- çoivent de l'air de décharge relativement froid du compres- seur et l'envoient sous forme d'un film d'air de refroidis- -2- sement le long des surfaces intérieures des segments de che- mise Le film d'air de refroidissement a pour effet de dimi- nuer les températures subies par les segments de chemise. Cependant, en fonctionnement, les chambres de com- bustion subissent, de manière classique, des variations de température dans tous leurs différents éléments structurels. Par exemple, les segments de chemise, qui sont chauffés par les gaz de combustion, subissent des températures plus éle- vées que les raccords de refroidissement, qui sont refroidis par l'air de décharge du compresseur Puisque les matériaux de la chambre de combustion se dilatent lorsqu'ils sont chauffés, les variations de température de ces parties de chambre de combustion ont pour résultat une dilatation ther- mique différentielle de ces parties, ou une tentative de di- latation différentielle là o elles en sont empêchées, ce qui induit des contraintes thermiques et des déformations. Plus particulièrement, les segments de chemise chauds ont tendance à plus se dilater que les raccords de refroidissement Cependant les *segments de chemise sont fixés aux raccords et les deux s'opposent à cette dilatation thermique différentielle, ce qui a pour résultat d'induire une contrainte thermique La grandeur de la contrainte ther- mique et le nombre de ses cycles sont reflétés par la durée de vie à la fatigue thermique du matériau Plus nombreux sont les cycles et plus élevée est la contrainte thermique, plus tôt on doit remplacer l'élément de la chambre de com- bustion avant qu'il n'ait atteint la limite de sa durée de vie à la fatigue thermique. En outre, des déformations induites thermiquement peuvent avoir de l'importance si elles provoquent la dilata- tion d'une lèvre en porte-à-faux classique, contiguë de rac- cords de refroidissement classiques, dilatation ayant lieu radialement vers l'extérieur et qui ferme partiellement les fentes de refroidissement par film de la chambre de combus- tion Dans ce cas, on réalise des moyens pour diminuer la -3- limitation de l'écoulement de la fente de refroidissement. Les brevets des E U A N O 4 259 842, 4 050 241, 3.995 422 et 3 845 620 décrivent des chemises de combustion classiques comportant des raccords de refroidissement et des lèvres en porte-a-faux et sont incorporés ici par référence. Ces brevets décrivent aussi l'environnement de la chambre de combustion comprenant des gaz chauds et de l'air de refroi- dissement, et certains agencements pour diminuer la limita- tion d'écoulement dé la fente de refroidissement provoquée par la dilatation thermique différentielle qui peut exister. Cependant, dans tous ces agencements de chambre de combus- tion, la dilatation thermique différentielle donne encore lieu à des contraintes thermiques importantes. La présente invention a pour buts de réaliser une nouvelle chemise perfectionnée pour chambre de combustion; réaliser une nouvelle chemise perfectionnée pour chambre de combustion qui a pour effet de réduire la con- trainte thermique due à la dilatation thermique différen- tielle; réaliser une nouvelle chemise perfectionnée pour chambre de combustion qui a pour effet de réduire la défor- mation thermique due à la dilatation thermique différen- tielle. On décrit une chemise de chambre de combustion utilisée entre un fluide de refroidissement et des gaz de combustion chauds La chemise de chambre de combustion com- porte des parties adjacentes ayant des coefficients de dila- tation thermique différents, ce qui a pour effet de diminuer les contraintes dues à la tendance à une dilatation thermi- que différentielle des parties adjacentes Dans un mode de réalisation, les parties soumises à des températures relati- vement élevées ont des coefficients -de dilatation relative- ment faibles et les parties soumises à des températures re- lativement faibles ont des coefficients de dilatation rela- -4- tivement élevés De cette manière, on diminue la dilatation thermique différentielle réduisant ainsi les contraintes et déformations induites thermiquement. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement - Figure 1, une vue en coupe d'une chambre de com- bustion d'un moteur à turbine à gaz selon' un mode de réali- sation de la présente invention; Figure 2, une vue en coupe agrandie de la chemi- se de chambre de combustion représentée figure 1; Figure 3, une série de vues montrant un procédé de fabrication d'une chemise de chambre de combustion selon un autre mode de réalisation de l'invention; Figure 4, une vue en coupe de la chemise de chambre de combustion représentée figure 2, comportant des matériaux ayant trois coefficients de dilatation thermique différents; Figure 5, une vue en coupe représentant la fa- brication d'une chemise de chambre de combustion par utili- sation d'une technique de dépôt par plasma basse pression. On a représenté figure 1 une chambre de combustion annulaire 10 d'une moteur à turbine à gaz selon un mode de réalisation de la présente invention La chambre de combus- tion 10 comporte une chemise annulaire 12 de chambre de com- bustion radialement extérieure et une chemise annulaire 14 de chambre de combustion radialement intérieure espacée de la première Les chemises 12 et 14 sont placées coaxialement autour d'un axe 16 du moteur et définissent les limites d'une section de combustion 18 Un carter extérieur 20 et un carter intérieur 22 sont espacés des chemises 12 et 14, res- pectivement, et définissent un conduit annulaire extérieur 24 d'air de refroidissement etun conduit annulaire inté- rieur 26 d'air de refroidissement. On envoie de l'air de décharge 28 de compresseur, relativement froid et comprimé, en provenance d'un compres- -5- seur (non représenté) vers un dôme amont 30 de la chambre de combustion 10 Un injecteur de carburant 32 est placé dans le dôme 30 pour fournir du carburant à la section de combus- tion 18 o il est mélangé et enflammé avec l'air comprimé 28 convenablement canalisé dans le dôme 30 pour engendrer des gaz de combustion 34 relativement chauds On achemine de l'air de décharge supplémentaire vers la section de combus- tion 18 par des trous de dilution (non représentés) se trou- vant dans les chemises 12 et 14 pour diluer les gaz de com- bustion 34. Pour protéger les chemises extérieure et intérieu- re 12 et 14 des gaz de combustion relativement chauds 34, on munit les chemises 12 et 14 d'une série de raccords de re- froidissement annulaires 36 Les raccords 36 reçoivent de l'air de refroidissement 38, qui est une partie de l'air de décharge de compresseur 28, par les conduits 24 et 26 les raccords 36 canalisent l'air de refroidissement 38 sous la forme d'un film d'air de refroidissement continu, annulaire le long des surfaces internes 42 des chemises 12 et 14. Le film 40 d'air de refroidissement a pour effet de diminuer la quantité de chaleur transférée des gaz de combustion 34 aux chemises de chambre de combustion 12 et 14 et, par conséquent, d'en réduire les températures qui sinon y existeraient. On a représenté, plus particulièrement, figure' 2 une partie de la chemise 12 de la chambre de combustion selon un mode de réalisation de l'invention La chemise 12 comporte plusieurs segments annulaires 44 qui ont pour effet de réaliser une limite aux gaz de combustion chauds 34 Les segments de chemise 44 sont placés contigus aux raccords 36 et sont reliés par eux Plus particulièrement, une extrémité arrière 44 b du segment de chemise 44 est fixée de manière convenable, par exemple par soudage en 44 c, à une extrémité avant 36 a du raccord 36 Une extrémité arrière 36 b du rac- cord 36 est fixée de manière appropriée, par soudage en 36 c -6- par exemple, vers une extrémité avant 44 a d'un segment de chemise 44 adjacent Le raccord 36 coopère avec une extrémi- té de lèvre 46 la plus arrière du segment de chemise 44 pour délimiter une cavité annulaire 48 d'air de refroidissement, qui a un profil général incurvé, et une fente ou ouverture de sortie 50 d'air de refroidissement par film Le raccord 36 comprend une série d'ouvertures d'entrée 52 qui reçoivent l'air de refroidissement 38 et réalisent le film annulaire continu 40 de refroidissement par la fente de film 50. On remarquera que, dans la mesure o les raccords 36 reçoivent et acheminent l'air de refroidissement 38 sans aucune exposition directe aux gaz de combustion 34, ils fonctionnent à des températures relativement inférieures à celles des segments de chemise 44 qui font face directement à et contiennent ces gaz de combustion 34 En conséquence, les segments de chemise 44 qui subissent des températures relativement plus élevées que celles subies par les raccords 36, ont plus tendance a se dilater thermiquement radialementvers l'extérieur que les raccords 36 s'ils sont fabriqués avec le même matériau. Par exemple, on a représenté figure 2 un segment de chemise ayant un rayon nominal Ri et un raccord 36 ayant un rayon nominal R 2, ceci par rapport à l'axe 16 du moteur pour les deux rayons Comme le segment de chemise 44, lors du fonctionnement du moteur, est en moyenne plus chaud que le raccord 36, il aura tendance à se dilater plus que ce dernier Par conséquent R 1 aura tendance à plus augmenter que R 2, mais il en est partiellement empêché par le rac- cord annulaire 36 Cette tendance à une dilatation thermique différentielle entre les segments de chemise 44 et les rac- cords 36 induit des contraintes thermiques dans la chemise de chambre de combustion 12 En outre, la lèvre 46, qui su- bit aussi des températures relativement élevées, à tendance à se dilater radialement vers l'extérieur, subissant une dé- formation permanente possible, et peut réduire l'épaisseur -7- de la fente de film 50. Cependant, selon un mode de réalisation de la pré- sente invention, on a déterminé que l'on pouvait diminuer ces contraintes induites thermiquement et ces déplacements différentiels en fabriquant le segment de chemise 44 relati- vement chaud en un alliage ayant un premier coefficient de dilatation thermique linéaire C 1 inférieur à celui du rac- cord 36 relativement froid Inversement, on fabrique le rac- cord 36 en un alliage ayant-un deuxième coefficient de dila- tation thermique linéaire C 2 supérieur a Ci Le coeffi- cient de dilatation thermique linéaire, C 1 ou C 2, 'lest défini comme étant l'accroissement de longueur d'une unité de longueur pour une élévation en température d'un degré. En réalisant des première et deuxième parties adjacentes de chemises de chambre de combustion 12, par exemple le segment-44 et le raccord 36, respectivement, qui ont des coefficients de dilatation thermique prédéterminés, différents C 1 et C 2, respectivement, on peut amener les tendances à la dilatation thermique radiale de ces parties àêtre plus proches ou égales Ceci parce que la dilatation thermique radiale, libre est directement proportionnelle à la variation de température et au coefficient de dilatation. Par exemple, si x C = 2 x C et T 2 indique des augmentations moyennes de température au-dessus de la température froide de non-fonctionnement des parties adjacentes ayant des coefficients de dilatation C et C 2, respectivement, alors aucune dilatation thermique différentielle, et par là aucune contrainte et déformation, ne se développera Par conséquent, en réalisant des parties adjacentes relativement chaude et froide de la chemise 12 qui ont, respectivement, des coefficients de dilatation re- lativement faible et élevé, pour-rendre plus proches les di- latations thermiques, on peut réduire la dilatation thermi- que radiale différentielle entre le segment de chemise 44 et le raccord 36, diminuant par là les contraintes et déforma- tions induites thermiquement qui, sinon, existeraient. Bien que le segment de chemise 44 fonctionne à des températures moyennes relatives plus élevées que celles du raccord 36, les températures réelles du segment 44 et du raccord 36 varient continuellement à travers eux, allant d'un maximum à la surface interne 42 du segment 44 à un minimum à proximité des ouvertures 52 du raccord 36 Pour diminuer la quantité de contraintes auxquelles sont soumis les emplacements de soudure 36 c et 44 c, on place de préfé- rence ces emplacements en des parties de la chemise 12 qui subissent une température se trouvant à mi-chemin entre les températures maximum et minimum de cette dernière. Bien entendu, on remarquera que les coefficients C 1 et C 2 n'ont pas une valeur constante mais dépendent de la température Cependant, dans le cas de l'exemple sim- ple décrit ci-dessus, les coefficients C 1 et C 2 repré- sentent des valeurs moyennes pour la gamme de températures de fonctionnement prévue. L'alliage A 286, disposnible dans le commerce, constitue un exemple d'alliage approprié pour le raccord 36 il a un coefficient de dilatation C 2 compris entre entreenviron 5,0 x 10 6 par WC à température ambiante et ,56 x 10 6 par OC à 6490 C L'alliage Hastelloy X, disponible dans le commerce constitue un exemple d'alliage approprié pour le segment de chemise 44 7 il a un coefficient de dila tation C compris entre 4,3 x 106 par OC à température ambiante et 4,8 x 106 par OC à 6490 C. On peut aussi choisir différents autres matériaux si d'autres propriétés physiques sont recherchées en plus des coefficients de dilatation souhaités Par exemple, la possibilité de fabriquer une chemise de chambre de combus- tion en utilisant plusieurs matériaux permet d'obtenir une souplesse supplémentaire en utilisant, pour les parties bas- se température de la chambre de combustion, un matériau pos- sédant des performances améliorées qu'autrement on ne pour- -9- rait utiliser dans une chambre de combustion en un matériau unique parce qu'il ne conviendrait pas aussi bien pour les parties à température élevée. Un procédé de fabrication d'une chemise de chambre de combustion, telle que la chemise 12 de la figure 2, selon un mode de réalisation dé la présente invention comprend la réalisation d'un segment annulaire de chemise 44 ayant un coefficient de dilatation C 1 On réalise aussi un raccord annulaire 36 ayant un deuxième coefficient de dilatation C 2 et on le raccorde, de manière appropriée, par soudage en 44 c par exemple, à l'extrémité 44 b du segment de chemise 44 comme représenté figure 2 On peut raccorder ainsi de ma- nière appropriée plusieurs raccords 36 et plusieurs segments de chemise 44, par exemple par soudage en 36 c et 44 d, pour former-une chemise de chambre de combustion 12 complète. On a représenté figures 3,un autre procédé de fa- brication de chemise de chambre de combustion selon un autre mode de réalisation de l'invention Figure 3 A, on a réalisé une série de bandes plates 54 en un premier alliage ayant le premier coefficient de dilatation C 1 et une bande plate 56 en un deuxième alliage ayant le coefficient de dilatation C 2 On raccorde la bande 56 en deuxième alliageaux extrémités opposées 54 b et 54 a des bandes 54 en premier alliage adjacentes, par exemple par soudage On peut munir de manière appropriée, la bande 56 en deuxième alliage d'une série d'ouvertures d'entrée 58, alignées et espacées longi- tudinalement, comme représenté figure 3 A Ensuite on forme les bandes 54 et 56 raccordées en un anneau 60 comme repré- senté figure 3 B. On a représenté figure 3 C une vue en coupe de l'anneau 60 de la figure 3 B qui montre une étape supplémen- taire de fabrication de la bande 56 en deuxième alliage pour définir une cavité 62 ayant un profil général incurvé. Finalement, on a représenté en partie, figure 3 D, plusieurs anneaux 60 raccordés l'un à l'autre de manière - appropriée, par exemple par brasage, pour définir une partie d'une chemise de chambre de combustion terminée. On a représenté figure 4, un autre mode de réali- sation de la présente invention comportant trois coeffi- cients de dilatation thermique différents C 1, C 2 et C 3 Cette figure a pour but de montrer que la répartition des températures en fonctionnement des segments de chemise 44 et des raccords 36 peut être assez complexe et comporter beaucoup plus de températures différentes que les deux tem- pératures moyennes indiquées pour la chemise 12 représentée figure 2 Cependant, comme décrit ci-dessus, une chemise 12 comprenant seulement deux coefficients de dilatation thermi- que différents C 1 et C 2 pour les segments de chemise 44 et les raccords 36 fournit une structure perfectionnée. En se référant à la figure 4, le coefficient C 1 est inférieur à C 2, qui lui-même est inférieur à C 3. Ceci a pour but d'indiquer que la température moyenne de la chemise 12 de chambre de combustion est plus élevée dans les zones ayant pour référence C 1 que dans celles ayant pour référence C 2 qui a leur tour ont une température supérieu- re à celle des zones ayant pour référence C 3 Dans de nom- breuses applications il peut être souhaitable de réaliser une chemise de chambre de combustion ayant au moins trois, et peut être plus, parties adjacentes ayant des coefficients de dilatation thermique différents accordés aux différentes températures prévues pour ces pa rties pour ré duire les contraintes et déformations induites thermiquement de la manière décrite ci-dessus L'utilisation de nombreux coefficients de dilatation différents dans toute ia chemise 12 permet aussi la compensation de la dilatation thermique différentielle dans les parois de la chemise, telle que dans la paroi du segment de chemise 44 qui comporte les coeffi- cients C 1 et C 2 comme représenté figure 4 -On peut réa- liser de manière optimale, une chemise de chambre de combus- tion ayant des coefficients de dilatation qui varient conti- il - nuellement a travers la chemise pour réduire de manière ef- ficace les contraintes thermiques dues à-la dilatation dif- férentielle. Bien entendu, on remarquera que le concept d'ac- cord des coefficients de dilatation aux températures prévues des parties locales a pour but d'illustrer l'invention dans sa forme la plus simple En réalité, les chemises de chambre de combustion 12 et 14 sont des structures complexes dans lesquelles les dilatations thermiques différentielles pro- duisent des configurations de contraintes relativement com- plexes Cependant, après avoir effectué une analyse détail- lée des contraintes et au regard de ce qui est enseigné ici, l'homme de l'art peut choisir des coefficients de dilatation appropriés et définir plus précisément les différentes zones des chemises 12 et 14 pour obtenir les réductions maximum des contraintes induites thermiquement. Dans la mesure o la chemise de chambre de combus- tion 12 représentée figure 4 est plus-complexe que celle re- présentée figure 2, des procédés de fabrication appropriés sont nécessaires Par exemple, on peut fabriquer la chemise de chambre de combustion 12 de la figure 4 en utilisant des techniques de dépôt par plasma basse pression (DPBP) ou des techniques de métallurgie des poudres' connues de l'homme de l'art Ces techniques permettent des varia tions continues des propriétés physiques à travers les che mises 12 et 14. En outre, ces techniques permettent de choi sir des matériaux qui, autrement, ne pourraient être utili sés parce qu'ils ne sont pas disponibles sous forme de feuilles ou de pièces forgées ou -des matériaux n'ayant pas une ductilité ou une soudabilité suffisante. On a représenté figure 5, un exemple de procédé de fabrication de la chemise de chambre de combustion 12, re- présentée en traits discontinus utilisant une technique DPBP Décrit simplement, ce procédé consiste a réaliser un mandrin annulaire 64 approprié Ensuite on pulvérise, de ma- 12 - nière appropriée un premier alliage 66 ayant un coefficient de dilatation C 1 sur le mandrin Puis on pulvérise un deuxième alliage 68 ayant un coefficient de dilatation C 2 sur le premier alliage 66 Le mandrin 64, les premier et deuxième alliage 66 et 68 sont, respectivement, formés et appliqués de manière prédéterminée, 'pour obtenir une chemise de chambre de combustion 12, qui, après usinage comportera un raccord 36 et un segment 44, tels que représentés figure 2 Bien entendu, une chemise plus complexe, telle que celle représentée figure 4 ou une chemise ayant des coefficients de dilatation variant continuellement à travers elle, peut être aussi fabriquée convenablement en utilisant cette tech- nique avec ou sans mandrin ou parties de mandrin supplémen- taires si nécessaire. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec des chemises de chambre de combustion annulaires, elle peut être aussi utilisée pour des parties incurvées et pla- tes de chemise définissant n'importe quel type de chambre de combustion En outre, on peut utiliser l'invention pour n'importe quelle chemise de chambre de combustion comportant des segments de chemise de formes différentes et/ou des rac- cords soumis à des dilatations thermiques différentielles. i 5 85 08 13 - REVENDICATIONS 1 Chemise de chambre de combustion pour utilisa- tion entre un fluide de refroidissement ( 38) et des gaz de combustion chauds ( 34) caractérisé en ce qu'elle comporte des parties adjacentes ayant des coefficients de dilatation thermique différents qui ont pour effet de diminuer la con- trainte due à la tendance à la dilatation thermique diffé- rentielle des parties adjacentes. 2 Chemise de chambre de combustion selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que les coefficients de dilatation varient de manière continue dans toute la chemise. 3 Chemise de chambre de combustion selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que les parties adjacentes comprennent des première et deuxième parties, la première partie subissant des températures plus élevées que la deuxième partie et ayant un coefficient de dilatation ther- mique inférieur à celui de la deuxième partie. 4 Chemise de chambre de combustion selon la re- vendication 3, caractérisé en ce que la première partie com- porte un segment de chemise ( 44) formant une barrière contre les gaz de combustion chauds ( 34) et en ce que la deuxième partie comporte un raccord -( 36) s'étendant à partir d'une extrémité ( 44 b) du segment de chemise ( 44), le raccord ( 36) comportant une série d'ouvertures d'entrée ( 52) pour rece- voir le fluide de refroidissement ( 38). Chemise de chambre de combustion selon la re- vendication 4, caractérisée en ce que l'extrémité ( 44 b) du segment de chemise ( 44) comprend une lèvre d'extrémité -( 46), la plus arrière qui coopère avec le raccord ( 36) pour défi- nir une cavité ( 48) d'air de refroidissement ayant une ou- verture de sortie ( 50) pour envoyer de l'air de refroidisse- ment pour refroidir par film un deuxième segment de chemise s'étendant à partir du raccord. 6 Chemise de chambre de combustion annulaire pour utilisation entre un fluide de refroidissement ( 38) et des 14 - gaz de combustion ( 34) dans un moteur à turbine à gaz carac- térisée en ce qu'elle comprend une série de segments de che- mise ( 44) annulaires, coaxiaux, formant une barrière contre les gaz de combustion chauds et une série de raccords ( 36) annulaires raccordant les segments de chemise adjacents, ces raccords comprenant une série d'ouvertures d'entrée ( 52) et définissant des ouvertures de sortie ( 50) annulaires, les segments de chemise ( 44) ayant un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui des raccords ( 36). 7 Chemise de chambre de combustion pour utilisa- tion entre un fluide de refroidissement ( 38) et des gaz de combustion chauds ( 34) caractérisée en ce qu'elle comprend des parties ( 36, 44) ayant des coefficients de dilatation thermique différents de sorte que les parties soumises à des températures élevées ont des coefficients de dilatation re- lativement faibles et les parties soumises à des températu- res relativement faibles ont des coefficients de dilatation relativement élevés. 8 Procédé de fabrication d'une chemise de chambre de combustion caractérisé en ce qu'il consiste à: réaliser un segment de chemise ( 44) annulaire ayant un premier coefficient de dilatation thermique (C 1); réaliser un raccord ( 36) annulaire ayant un deuxième coefficient de dilatation thermique (C 2) supé- rieur au premier coefficient de dilatation; et lier le raccord ( 36) à une extrémité ( 44 b) du segment de chemise ( 44). 9 Procédé de fabrication d'une chemise de chambre de combustion caractérisé en ce qu'il consiste à: réaliser polusieurs bandes ( 54) en un premier alliage ayant un premier coefficient de -dilatation thermique (C 1); réaliser une bande ( 56) en un deuxième alliage ayant un deuxième coefficient de dilatation thermique (C 2) supérieur à celui des bandes ( 54) en premier alliage. - raccorder la deuxième bande ( 56) aux extrémités opposées ( 54 b, 54 a) de premières bandes ( 54) adjacentes; et former les premières et deuxièmes bandes ( 54, 56) en un anneau ( 60). 10 Procédé de fabrication d'une chemise de cham- bre de combustion selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une série d'ouvertures d'entrée ( 58) dans la deuxième bande ( 56) et de former la deuxième bande en un raccord ( 36) définissant une cavité (-62) ayant un profil général incurve.