Brevet FR2579724A1 — publié le 19861003

L'invention concerne les moteurs à turbine à gaz et, plus particulièrement, les chambres de combustion utili- sées avec ces moteurs. Le rendement d un moteur à turbine à gaz est fonc- tion de différents paramètres parmi lesquels on trouve la température à atteindre à l'intérieur des chambres de com- bustion, ainsi que la quantité d'air que l'on doit dériver pour refroidir les différents éléments du moteur. En même temps, on améliore l'intégrité structurelle du moteur si on fait supporter les charges structurelles par des éléments du moteur dont les composants ne sont pas soumis aussi à des températures élevées et aux contraintes thermiques qui accompagnent ces dernières. Pour essayer d'augmenter les températures à atteindre à l'intérieur des chambres de combustion, on a proposé différents matériaux et alliages pour fabriquer les chambres. Deux types de matériaux présentent une résistance particulièrement avantageuse aux effets thermiques, ce sont les matériaux renforcés par dispersion d'oxyde et différen- tes céramiques. Un autre matériau avantageux comporte un re- vêtement de colombium à température élevée. Cependant, un inconvénient majeur de ces matériaux de l'art antérieur et de certains autres, tient à ce qu'ils sont difficiles ou peu pratiques à souder. L'invention décrite, permet, entre autres applications, d'utiliser ces matériaux pour la cons- - 2 - truction de chambres de combustion. La présente invention est particulièrement adaptée à l'utilisation de revêtements de colombium dans les chambres de combustion, cependant, les concepts décrits peuvent avoir de nombreuses applications. L'application effective de matériaux à température élevée, comme ceux décrits, en plus de permettre d'atteindre des températures plus élevées permet aussi d'obtenir une diminution de la quantité de fluide de refroidissement qu'il est nécessaire d'envoyer vers la chambres de combustion pen- dant son fonctionnement. Cette diminution permet au moteur de fonctionner avec un rendement accru. Dans le passé, des défaillances structurelles des moteurs à turbines à gaz ont été parfois le résultat des contraintes thermiques associées aux températures de combus- tion élevées subies par les parties structurelles supportant la charge. La fabrication d'une chambre de combustion d'une manière qui nécessite que la chemise (qui est directement exposée à la chaleur de combustion) supporte des charges structurelles associées à la chambre a eu parfois ces dé- faillances pour résultat. L'utilisation de la configuration de la présente invention permet de résoudre ces problèmes en isolant la chemise de la chambre des charges structurelles associées au châssis entourant la chambre. Un autre aspect significatif de la présente inven- tion provient de ce qu'elle permet d'enlever facilement des éléments annulaires séparés de la chemise sans qu'il soit nécessaire de démonter le châssis structurel et les compo- sants qui lui sont associés. Ce qui permet, à son tour, de substituer de nouveaux éléments annulaires à ceux qui sont usés par une utilisation prolongée, ou de réparer des élé- ments annulaires de chemise séparés qui ont encore une durée de vie utile. Une telle possibilité permet d'importantes économies par rapport au dispositif de l'art antérieur dans lequel les chambres de combustion forment une construction unifiée et o, la destruction ou l'usure d'une seule partie de la chambre nécessitait le remplacement de grandes parties ou de la totalité de la chambre. La présente invention a pour buts de: - réaliser une chambre de combustion pour moteur-à turbine à gaz qui possède une intégrité structurelle perfec- tionnée grâce à la réalisation d'éléments indépendants su- bissant respectivement les contraintes thermiques et struc- turelles associées à une chambre de combustion; - réaliser une chambre de combustion pour moteur à turbine à gaz dans lequel une chemise perfectionné formée par une série d'éléments annulaires ou anneaux présente des possibilités de remplacement et de réparation faciles et efficaces et dans lequel on peut utiliser des matériaux de chemise perfectionnés sans les inconvénients des fabrica- tions classiques. La présente invention réalise ces buts ainsi que d'autres, dans un mode de réalisation qui utilise une chemi- se formée par une série d'éléments annulaires ou anneaux. Les éléments annulaires coopèrent les uns avec les autres de manière télescopiques et avec un châssis structurel les en- tourant, en une coopération élastique facilitée par l'asso- ciation d'éléments de ressort et de moyens de maintien cons- titués par la combinaison d'une saillie et d'un dispositif de blocage. Dans un mode de réalisation, le ressort comporte un élément élastique, de section droite de forme générale en U, portant la saillie sur l'une des branches du U, la deu- xième branche coopérant avec l'élément annulaire associé. Les éléments annulaires de chemise axialement adjacents se- ront disposés les uns après les autres avec les éléments annulaires immédiatement en aval placés en sandwich à l'en- droit de leur bord d'attaque entre les branches de l'élément élastique en forme de U; La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: - Figure 1, une vue en coupe simplifiée d'une -4- chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz selon la présente invention; - Figure 2, une représentation d'un élément annu- laire ou anneau de chemise selon un premier mode de réalisa- S tion de la présente invention et la coopération de ce der- nier avec une partie du châssis structurel; - Figure 3, la coopération des éléments annulaires de chemise entre eux et avec le châssis structurel; Figure 4, un élément annulaire de chemise selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention et sa coopération avec le châssis structurel; et - Figure 5, une vue en coupe d'une chemise sembla- ble à celle du deuxième mode de réalisation de la figure 4 représentant la coopération avec des éléments annulaires adjacents et avec le châssis structurel. La chambre de combustion décrite figure 1 repré- sente les éléments de base d'une chambre de combustion d'une turbomachine classique ainsi que les perfectionnements nota- bles caractéristiques de la présente invention. Ainsi qu'il est bien connu de la technique, l'air de l'atmosphère pénè- tre dans la chambre de combustion, désignée par la référence générale 10, en partant de la gauche par une entrée d'air- /combustible 12 en aval d'un compresseur haute pression (non représenté). La chambre de combustion délimite une zone de combustion 14 et comporte un injecteur de combustible 16 placé à l'intérieur de l'entrée 12. Un châssis structurel à résistance élevée 18, comportant une pièce d'appui 20, en- toure la zone de combustion 14. De manière classique, le combustible provenant de l'injecteur 16 et l'air pénétrant par l'entrée 12 sont mélangés à l'intérieur de la zone de combustion 14 dans laquelle a lieu la combustion. On envoie les produits de combustion vers la droite de la figure 1 par une sortie 19 à travers une rangée d'aubes de turbine 21. Les aubes de turbine extraient l'énergie des produits de combustion sortant et font fonctionner en rotation un arbre qui entraîne le compresseur amont. Le flux restant de pro- duits de combustion fournit une poussée dirigée vers la gau- che de la figure 1. La structure de la chambre de combustion selon la présente invention est plus particulièrement décrite en liaison avec les figures restantes. On remarquera que le châssis 18 comportant la pièce d'appui 20 a un rayon gra- duellement croissant avec des gradins radiaux 22 axialement espacés ainsi qu'une pente graduelle en partant de l'extré- mité amont vers l'extrémité aval de la chambre de combus- tion. Chaque gradin est associé à deux épaulements 24 et 26 s'étendant circulairement qui définissent entre eux une fen- te 28 s'étendant pratiquement circulairement. La fente 28 réalise un dispositif de blocage ainsi qu'on le décrira ci-après, pour retenir les éléments de la chambre de combustion. Selon un objectif important de la présente inven- tion, on réalise une série d'éléments annulaires de chemise de chambre de combustion 30, ces éléments annulaires coopé- rant avec le châssis structurel 18 pour compléter la confi- guration de la chambre de combustion. De manière à faciliter le placement des éléments annulaires de chemise 30 autour du châssis structurel, on a réalisé des moyens de montage pour placer et fixer les éléments annulaires par rapport à ce châssis. Les moyens de montage comportent la fente ou organe de blocage 28 décrite ci-dessus. De plus, selon le mode de réalisation représenté figure 3, chaque élément annulaire comporte un bord d'attaque 32 et un bord de fuite 34 et sup- porte une saillie 36 s'étendant radialement pour coopérer avec la fente 28. Conjointement, la saillie 36 et la fente 28 se combinent pour réaliser un moyen de maintien en coopé- ration avec le châssis pour maintenir l'élément annulaire en position. De plus, le moyen de montage comporte un élément flexible comprenant un ressort 38 (voir figure 3). Conjoin- -6- tement, le moyen de maintien et l'élément flexible se combi- nent pour maintenir les éléments annulaires à l'intérieur d'une position déterminée par rapport au châssis 18 pendant le fonctionnement de la chambre de combustion. Structurellement, la saillie 36 peut être placée sur l'une des branches du moyen de ressort 38 de forme géné- rale en U, la seconde branche étant fixée rigidement à un élément annulaire 30 près de son bord de fuite 34. Lorsqu'un élément annulaire individuel est amené en position par rap- port au châssis 18, le ressort associé 38 est fléchi ou pré- contraint avec le déplacement radialement vers l'élément an- nulaire associé de la saillie 30 jusqu'à ce que la saillie occupe la fente 28 o elle se bloque en une position de maintien par rapport au châssis. Axialement, la coopération entre des éléments an- nulaires adjacents 30 est réalisée en plaçant plusieurs élé- ments annulaires téléscopiquement pour délimiter la zone de combustion 14. Dans le mode de réalisation de la figure 3, la coopération axiale est réalisée de telle sorte que le bord d'attaque 32 de chaque élément annulaire aval est reçu et maintenu par le bord de fuite 34 d'un élément annulaire amont au moyen d'une coopération de type sandwich du bord d'attaque entre les deux branches de l'élément de ressort élastique 38 ayant une forme générale en U. En d'autres ter- mes, le bord d'attaque de chacun des éléments annulaires aval s'étend entre les deux branches de l'élément élastique 38 en forme de U et est maintenu à l'intérieur de l'espace délimité par ces deux branches. Comme on le remarquera à partir des figures 2 et 3, les saillies 36 et les fentes 28 s'étendent pratiquement sur la circonférence de l'élément annulaire et du châssis respectivement. En outre, chaque élément annulaire comporte la combinaison d'un ressort 38 et d'une saillie 36 et le châssis 18 comporte une série de fentes 28 régulièrement espacées. Donc, de la même manière que décrite ci-dessus, on -7- peut amener en position et maintenir une série d'éléments annulaires de chemise 30. Selon un objectif principal de la présente invention, le processus de montage décrit peut être inversé de manière à permettre un enlèvement facile des élé- ments annulaires de chemise individuels, lorsqu'ils sont usés ou qu'ils sont endommagés du fait d'une utilisation prolongée. Ainsi la présente invention rend possible la maintenance à un prix raisonnable d'une chemise de chambre de combustion. Le fonctionnement général de la chambre de combus- tion a déjà été décrit. En relation avec ce fonctionnement, on en considérera les effets aérodynamiques et thermiques sur la chemise de chambre de combustion de la présente in- vention. On atteint des vitesses aérodynamiques de gaz très importantes à l'intérieur de la zone de combustion 14 du fait de la grande dilatation des gaz qui y brûlent. A partir de là, des pressions dynamiques et statiques importantes sont exercées sur chaque élément annulaire 30. Ces pressions sont transférées directement au châssis structurel 18 qui sert à supporter le choc des forces mécaniques associées à la chambre de combustion. Thermiquement, les gaz brûlant à l'intérieur de la zone de combustion 14 atteignent des températures extrême- ment élevées et les éléments annulaires de chemise 30 sont directement soumis à ces températures. (Le refroidissement des éléments annulaires peut s'effectuer au moyen de la com- binaison d'un refroidissement par impact des côtés radiale- ment extérieurs de l'élément annulaire et d'un refroidisse- ment par film des côtés de l'élément annulaire en bordure de la zone de combustion 14. On peut utiliser d'autres systèmes de refroidissement, cependant, l'impact thermique sur les anneaux de refroidissement est extrêmement important). Pour essayer de remédier à cette situation, la présente invention permet l'utilisation de matériaux revêtus de colombium qui présentent des caractéristiques thermiques avantageuses. -8- C'est une caractéristique malheureuse de beaucoup de matériaux à température élevée de ne pas convenir au sup- port des charges structurelles. Par la présente invention, il n'est pas demandé aux éléments annulaires de chemise 30 de supporter des forces structurelles, celles-ci étant transmises directement au châssis 18. De la même manière, les matériaux du chassis 18, matériaux à résistance élevée, ne conviendraient pas nécessairement pour supporter la cha- leur de combustion à l'intérieur de la zone 14. Par le moyen de la présente invention, le châssis structurel 18 n'est pas directement exposé aux températures élevées mais en est re- lativement séparé par les éléments annulaires 30. En tant que résultats de cette invention, les matériaux à résistance élevée et les matériaux à température élevée peuvent être utilisés pour Ses zones mécaniquement et thermiquement con- traintes sans avoir d'effet adverse l'un sur l'autre. C'est une caractéristique des matériaux revêtus de colombium de présenter des coefficients de dilatation ther- mique faibles, caractéristique appropriée pour leur utilisa- tion dans la présente invention. Le coefficient correspon- dant du matériau du châssis doit être beaucoup plus élevé. A cause de cela, pendant le fonctionnement transitoire de la chambre de combustion, les dilatations thermiques des élé- ments annulaires 30 et du châssis 18 doivent être aussi pro- ches que possible l'une de l'autre de sorte que des con- traintes mécaniques associées avec la dilatation des élé- ments annulaires 30 n'auront pas une influence adverse sur le châssis 18. De manière en outre, à isoler le châssis des contraintes mécaniques associées à l'influence thermique des éléments annulaires 30, le moyen de montage décrit est ap- proprié. Dans ce but, la fabrication des éléments annulai- res de chemise 30 sur le châssis 18 a pour résultat une sé- rie d'éléments annulaires télescopiques, chacun d'entre eux étant espacé du chassis. Les éléments annulaires sont main- -9 tenus en relation espacée à leur bord d'attaque par coopéra- tion du bord d'attaque 32 avec le bord de fuite 34 de l'élé- ment annulaire amont axialement adjacent. Le bord de fuite de chacun des éléments annulaires est maintenu à une distan- ce prédéterminée du châssis au moyen de l'élément de ressort élastique 38. La dilatation thermique d'un élément annulaire individuel 30 oblige l'élément annulaire à s'appuyer contre et à fléchir le ressort 38 permettant ainsi un réglage de la position radiale de l'élément annulaire par rapport au châs- sis 18. Par conséquent l'effet des forces mécaniques sur le châssis 18 en provenant des éléments annulaires 30 est for- tement réduit. De la même manière, si des forces structurel- les provoquent la déformation du châssis 18, cette déforma- tion n'est pas transmise aux éléments annulaires 30 directe- ment mais est en partie absorbée par la flexion des éléments de ressort élastiques 38. Les forces qui tendent à déloger les éléments an- nulaires de leur position axiale par rapport au châssis 18 sont contrées et supportées par les moyens de fixation com- portant la saillie 36 et la fente 28. Par conséquent, en tant que résultat de la présente invention, on peut fabri- quer une chambre de combustion par une série d'éléments pra- tiquement annulaires fixés de manière sûre à la fois axiale- ment et radialement en une position prédéterminée. Les élé- ments annulaires peuvent être formés en un matériau à tempé- rature élevée approprié même si ce matériau n'est pas prati- que à souder ou à fabriquer d'une autre manière. En outre, les éléments annulaires sont maintenus en position de maniè- re fiable par un moyen de montage radial flexible et d'un dispositif de fixation. Un autre mode de réalisation de la présente inven- tion est décrit figures 4 et 5. La structure de ce mode de réalisation est différente de celle décrit dans le premier mode de réalisation, cependant son mode de fonctionnement est pratiquement similaire. Un châssis 18' est réalisé avec - 10 - des éléments 24' et 26' définissant une fente 28'. Des élé- ments pratiquement annulaires 30' supportent des moyens de ressort 50 sous la forme d'éléments élastiques 52 ayant pra- tiquement la forme d'un doigt qui s'étendent entre chaque élément 30' et le châssis 18'. Les moyens de ressort sont placés à proximité des bords de fuite 34 des éléments annu- laires et fonctionnent de manière à établir entre les bords de fuite et le châssis un espace prédéterminé 54. Ces res- sorts en forme de doigt fonctionnent pour fléchir et absor- ber les variations des positions radiales de l'élément annu- laire par rapport au châssis de la même manière que les res- sorts en forme d'U décrits ci-dessus. De plus, les bords de fuite 34' des éléments annulaires coopèrent avec les bords d'attaque 32' des éléments annulaires aval de manière à re- cevoir ces bords d'attaque à l'intérieur des espaces 54 et à les y maintenir. Pour placer en position les éléments annulaires ' axialement par rapport au châssis, chaque moyen de res- sort comporte un épaulement pratiquement radial 56 qui se projette dans pratiquement la même direction que l'épaule- ment 26' du châssis. Dans la fente 28, on a placé une bande de maintien 60 qui sert à bloquer le déplacement axial de l'épaulement 56 par rapport à l'épaulement 24' du châssis sur lequel la bande s'appuie aussi. Pendant la fabrication de la chambre de combustion, chaque doigt 52 du moyen de ressort 50 sont préfléchis ou précontraints. En outre, pen- dant le fonctionnement de la chambre de combustion, ces doigts sont fléchis à nouveau par les contraintes mécaniques et thermiques de compensation des ajustements spatiaux entre les éléments annulaires 30' et le châssis 18'. Ce mode de réalisation de la présente invention permet aussi une isola- tion notable du châssis 18' des contraintes thermiques asso- ciées aux éléments annulaires 30', et de la même manière isole les éléments annulaires 30' des contraintes structu- relles associées au châssis 18'. - 11 - De même, la fabrication de la chambre de combus- tion est facilement réversible grâce à quoi les éléments an- nulaires 30' peuvent être retirés de leur coopération avec le châssis 18' en enlevant la bande de maintien 60 et en in- versant le processus de fabrication. Ayant ainsi décrit un mode de réalisation recom- mandé de la présente invention, il apparaîtra à l'homme de l'art que des modifications substantielles de la structure peuvent être faites sans s'éloigner de l'esprit de l'inven- tion. Par exemple, les éléments de ressort et les moyens de maintien peuvent être constitués par un nombre quelconque de configurations structurelles ayant également le même objectif. - 12 - REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion pour moteur à turbine à gaz caractérisée en ce qu'elle comporte: - une entrée (12) pour recevoir l'air et le com- bustible qui doit être brûlé; - une sortie (19) pour expulser les produits de combustion; - un châssis structurel (18) de résistance élevée placé entre l'entrée et la sortie pour supporter les forces mécaniques associées à la chambre; - une chemise coopérant avec le châssis finissant une zone de combustion, la chemise comportant une série d'éléments annulaires (30); et - des moyens de montage pour placer les éléments annulaires, les moyens de montage comportant des moyens de flexion (38) et des moyens de maintien (36, 28) pour coopé- rer avec les moyens de flexion (38), pour maintenir les élé- ments annulaires pratiquement à l'intérieur d'une position prédéterminée par rapport au châssis (18) pendant le fonc- tionnement de la chambre. 2. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce queles moyens de flexion comportent des ressorts (28); et les moyens de maintien comportent une saillie (36) et un moyen de blocage (28) recevant la saillie. 3. Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce que chacun des éléments annulaires (30) supporte le ressort (38), et en ce que le châssis (18) com- portent plusieurs moyens de blocage (28) espacés. 4. Chambre de combustion selon la revendication 3, caractérisée en ce que les éléments annulaires comportent des bords d'attaque (32) et des bords de fuite (34), les bords de fuite (34) étant adaptés pour recevoir et maintenir les bords d'attaque (32) des éléments annulaires (30) axia- lement adjacents grâce à quoi les éléments annulaires coopè- rent téléscopiquement. - 13 - 5. Chambre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce que la saillie (36) est supportée par les moyens de ressort (38). 6. Chambre de combustion selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens de ressort comportent un élément élastique (38) de forme de section droite générale en U, la saillie (36) occupant l'une des branche du U, l'élément annulaire (30) associé coopérant avec l'autre branche du U et le bord d'attaque (32) de l'élément annulai- re axialement adjacent s'étendant entre les branches. 7. Chambre de combustion selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de ressort s'étendent pra- tiquement sur toute la circonférence de l'élément annulaire associé et le moyen de blocage comporte une fente (28) s'étendant pratiquement sur toute la circonférence du chas- sis (18). 8. Chambre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce que le moyen de blocage comporte une fen- te s'étendant sur la circonférence du châssis (18') et que la saillie comporte une bande de retenue (60) placée à l'in- térieur de la fente et coopérant avec l'un des éléments an- nulaires (30'). 9. Chambre de combustion selon la revendication 8, caractérisée en ce que le moyen de ressort comporte un élé- ment élastique en forme de doigt (50) s'étendant entre cha- cun des éléments annulaires (30') et le châssis (18') pour séparer des bords de fuite (34') de chacun des éléments (30') d'un espace prédéterminé (54) du châssis (18'), et en ce que les bords d'attaque (32') des éléments annulaires (30')axialement adjacents s'étend dans et est maintenu à l'intérieur de cet espace (54). 10. Chambre de combustion selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'élément élastique (50) s'étend pratiquement sur toute la circonférence de l'élément annu- laire (30') associé, et que le moyen de blocage comporte une - 14 - fente (28') s'étendant pratiquement sur la circonférence du châssis (18'). 11. Chambre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce que les forces aérodynamiques imposées à la chemise pendant le fonctionnement, oblige les éléments annulaires (30) à s'appuyer contre et à faire fléchir les moyens de ressort permettant ainsi l'ajustement de la posi- tion radiale des éléments annulaires par rapport au châssis (18).