Brevet FR2699227A1 — publié le 19940617

Les ensembles de post-combustions connus, dont sont munies certaines turbines à gaz, comportent de nombreux éléments réalisés indépendamment les uns des autres, puis assemblés par des moyens mécaniques. De tels ensembles sont lourds et les nombreux dispositifs de fixation et de montages utilisés aboutissent à perturber l'écoulement du flux gazeux, et par suite à détériorer le rendement global de la turbine à gaz. L'invention entend remédier à cet état de choses en proposant l'adaptation d'ensembles de post-combustion d'un nouveau type, monoblocs, aérodynamiquement mieux profilés que les ensembles connus. L'invention est donc relative à un ensemble de post-combustion d'une turbine à gaz comprenant un carter externe possédant un axe de révolution; un carter interne, également de révolution, coaxial audit carter externe; des bras principaux de fixation du carter interne sur le carter externe; au moins une couronne de révolution, ayant même axe de révolution que le carter interne, susceptible de contenir des dispositifs d'injection complémentaires de carburant; des bras secondaires de fixation de ladite couronne de révolution sur au moins l'un desdits carter externe et carter interne; et au moins un conduit principal d'alimentation en carburant s'étendant du carter externe jusqu'aux dits dispositifs d'injection complémentaires de carburant. Selon l'invention, l'ensemble du carter externe, du carter interne, de la couronne de révolution, des dispositifs d'injection complémentaire de carburant, des bras principaux et secondaires de fixation, et du ou des conduits principaux d'alimentation en carburant forme un ensemble monobloc réalisé en matériaux composites. Les avantageuses dispositions suivantes sont en outre de préférence adaptées: ledit ensemble monobloc est réalisé en matériaux composites d'au moins deux catégories distinctes, un premier matériau composite étant utilisé dans la réalisation du carter externe, et, un deuxième matériau composite étant utilisé dans la réalisation du carter interne et présentant une aptitude à supporter des températures élevées supérieures à celle du premier matériau composite; certains des bras principaux et/ou des bras secondaires sont conformés en des conduits constituant au moins certains desdits conduits principaux d'alimentation en carburant; lesdits bras principaux et secondaires sont profilés; les bras principaux et les bras secondaires s'étendent dans des plans sensiblement radiaux; les couronnes de révolution sont conformées en des anneaux ouverts vers l'aval, certaines au moins contenant un conduit secondaire de carburant de forme annulaire; lesdits dispositifs d'injection complémentaire de carburant contenus dans ladite couronne de révolution comprennent ledit conduit secondaire de carburant; les bras secondaires relient la couronne de révolution au carter interne. L'avantage principal des ensembles de post-combustion, conformes à l'invention, réside dans leur légèreté et leur profilage, qui, associés aux excellentes tenues des matériaux composites aux températures élevées, permettent l'obtention de très bons rendements des turbines à gaz qui en sont munies. L'invention sera mieux comprise, et des caractéristiques secondaires et leurs avantages apparaîtront au cours de la description d'une réalisation donnée ci- dessous à titre d'exemple. Il est entendu que la description et les dessins ne sont donnés qu'à titre indicatif et non limitatif. Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue axiale de l'aval vers l'amont, par rapport au sens de l'écoulement gazeux, d'un ensemble de post-combustion conforme à l'invention, suivant flèche F de la figure 2; la figure 2 est une coupe suivant Il-II de la figure 1; les figures 3, 4 et 5 sont des sections, respectivement suivant III-III, IV- IV et V-V de la figure 2; la figure 6 est une coupe suivant VI-VI de la figure 1; et la figure 7 est une section suivant VII-VII de la figure 6. L'ensemble de post-combustion représenté sur les figures comprend: un carter externe 1, sensiblement de révolution, d'axe de révolution 2; un carter interne 3, également sensiblement de révolution de même axe de révolution 2; trois bras principaux 4, qui s'étendent radialement par rapport à l'axe de révolution 2, en étant angulairement régulièrement espacés, et qui réalisent le montage du carter interne 3 par rapport au carter externe 1 en reliant ces deux carters; une couronne ou anneau stabilisateur de flamme 5, de révolution d'axe de révolution 2, dont la section droite transversale comporte deux ailes 6 disposées en V, orientées sensiblement parallèlement à l'axe de révolution 2 vers l'aval par rapport au sens G de l'écoulement des gaz à l'intérieur de la chambre de post-combustion 7, comprise entre les carters externe 1 et interne 3; un conduit annulaire 8, contenu entre les ailes 6 de l'anneau stabilisateur de flamme 5, et présentant une pluralité de trous traversant 9 de faibles dimensions, orientés également vers l'aval, constituant autant de zones d'injection complémentaire de carburant dans la zone de post- combustion; six bras complémentaires 10, qui s'étendent radialement par rapport à l'axe de révolution 2, en étant angulairement régulièrement espacés entre eux et avec les bras principaux 4, et qui réalisent le montage de l'anneau stabilisateur de flamme 5 sur le carter interne 3 en reliant l'anneau au carter. Chaque bras principal 4 a une section droite transversale conformée généralement en un V à deux ailes 11, un conduit de carburant 12, radial, étant contenu au fond du V, entre les ailes 11, formant partie intégrante du bras 4, ayant une première extrémité 12 A obstruée et une deuxième extrémité 12 B qui débouche dans la paroi du carter externe 1 et qui est raccordée à un conduit externe 13 de carburant Le conduit 12 présente une pluralité de trous traversant 14 de faibles dimensions, orientés vers l'aval, constituant des zones d'injection complémentaire de carburant Un conduit 15 relie le conduit annulaire 8 au conduit 12. Il convient de noter que les bras principaux 4 sont profilés, de sorte que le flux gazeux s'écoulant dans le sens de la flèche G passe de part et d'autre de chaque bras principal 4, le long des faces externes 11 A des ailes 11 avec une perte de charge réduite au minimum De manière analogue, les bras secondaires 10 sont eux aussi profilés, afin de minimiser la perte de charge de l'écoulement du flux gazeux le long des faces externes 10 A de ces bras secondaires. Par ailleurs, l'ensemble qui vient d'être décrit est réalisé en matériaux composites et est monobloc: le carter externe 1, le carter interne 3, les bras principaux 4 et leurs conduits 12, les bras secondaires 10, l'anneau stabilisateur de flamme 5 et son conduit annulaire 8, et les conduits 15 ne forment qu'une seule pièce. Comme indiqué sur les figures 2 et 6, les techniques d'application et d'utilisation des matériaux composites permettent d'associer des matériaux composites de plusieurs catégories différentes Ainsi, dans la zone A la plus éloignée de l'axe de révolution 2, dans laquelle est disposé le carter externe 1, le matériau composite utilisé pourra avoir une tenue aux températures élevées inférieure à celui utilisé pour la réalisation de la zone B, dans laquelle est disposé le carter interne 3 Le concepteur de la turbine à gaz a la connaissance du gradient radial de températures et connaît donc les températures auxquelles seront exposés les divers éléments de l'ensemble, et peut ainsi choisir les matériaux les mieux adaptés aux températures de fonctionnement. Les bras principaux 4 et l'anneau 5 permettent l'obtention de la stabilisation de la flamme, tout en réalisant une injection complémentaire de carburant régulièrement répartie. Il peut être observer que cette réalisation monobloc permet de supprimer les multiples dispositifs de fixation utilisés antérieurement Les avantages sont multiples: réduction de la masse de l'ensemble, réduction de l'encombrement, et par suite réduction des sillages et traînées des bras principaux et secondaires, d'o diminution corrélative des pertes de charge, et par suite, augmentation du rendement global de la turbine à gaz En outre, l'obtention aisée d'un bon profilage des bras 4 et 10 et de l'anneau 5 a pour résultat d'améliorer encore l'écoulement gazeux Enfin, l'utilisation systématique de matériaux composites permet de choisir parmi ces matériaux, des matériaux présentant de très bonnes tenues aux températures élevées, tels que des céramiques pouvant être exposées à des températures dépassant 1500 C L'adoption de températures élevées conduit également à l'obtention de rendements élevés. L'invention n'est pas limitée à la réalisation décrite, mais en couvre au contraire toutes les variantes qui pourraient lui être apportées sans sortir de son cadre, ni de son esprit. Notamment, de manière analogue aux bras principaux 4, les bras secondaires 10, peuvent, en variante avoir des coupes transversales en forme de V et comprendre des conduits de carburant analogues aux conduits 12 des bras principaux 4, également percés de trous analogues aux trous 14, et ainsi constituer des supports d'injection complémentaires de carburant, améliorant la répartition de l'injection complémentaire de carburant. REVENDICATIONS 1 Ensemble de post-combustion d'une turbine à gaz comprenant: un carter externe ( 1) possédant un axe de révolution ( 2); un carter interne ( 3), également de révolution, coaxial audit carter externe; des bras principaux ( 4) de fixation du carter interne ( 3) sur le carter externe; au moins une couronne de révolution ( 5) ayant même axe de révolution ( 2) que le carter interne ( 3), susceptible de contenir des dispositifs ( 8-9) d'injection complémentaire de carburant; des bras secondaires ( 10) de fixation de ladite couronne de révolution sur au moins l'un ( 3) desdits carter externe et carter interne; et, au moins un conduit principal d'alimentation en carburant ( 12) s'étendant au moins du carter externe ( 1) jusqu'aux dits dispositifs d'injection complémentaire de carburant ( 8-9); caractérisé en ce que l'ensemble du carter externe ( 1), du carter interne ( 3), de la couronne de révolution ( 5), des dispositifs d'injection complémentaire de carburant ( 8-9), des bras principaux ( 4) et secondaires ( 10) de fixation, et du ou des conduits principaux d'alimentation en carburant ( 12) forment un ensemble monobloc réalisé en matériaux composites. 2 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble monobloc est réalisé en matériaux composites d'au moins deux catégories distinctes, un premier matériau composite étant utilisé dans la réalisation (A) du carter externe, et, un deuxième matériau composite étant utilisé dans la réalisation (B) du carter interne et présentant une aptitude à supporter des températures élevées supérieures à celle du premier matériau composite. 3 Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que certains des bras principaux ( 4) et/ou des bras secondaires ( 10) sont confornés en des conduits ( 12) constituant au moins certains desdits conduits principaux d'alimentation en carburant ( 12). 4 Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits bras principaux ( 4) et secondaires ( 10) sont profilés. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les bras principaux ( 4) et les bras secondaires ( 10) s'étendent dans des plans sensiblement radiaux. 6 Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les couronnes de révolution ( 5) sont conformées en des anneaux ouverts vers l'aval, certaines au moins contenant un conduit secondaire ( 8) de carburant de forme annulaire. 7 Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits dispositifs ( 8-9) d'injection complémentaire de carburant contenu dans ladite couronne de révolution comprennent ledit conduit secondaire de carburant ( 8). 8 Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les bras secondaires ( 10) relient la couronne de révolution au carter interne ( 3).