Brevet FR2752916A1 — publié le 19980306

L'invention concerne les moteurs à turbine à gaz et plus précisément les chambres de combustion utilisées avec ces moteurs. Les turboréacteurs civils et militaires tendent vers des taux de compression de plus en plus élevés, d'o une élévation des températures en sortie de compresseur haute pression et à l'entrée de la turbine haute pression. Les foyers de chambres de combustion équipant ces moteurs doivent donc être refroidis en conséquence, car leurs performances sont d'autant augmentées que le débit d'air alloué à leur refroidissement est faible. Il est donc impératif de prévoir une technologie de refroidissement efficace des parois des chambres, qui limite le débit d'air nécessaire à ce refroidissement. Les motoristes ont adopté une solution dite "à tuiles" pour le refroidissement des parois. FR-A-2 567 250 et GB-A-2 172 987 décrivent une structure de chambre de combustion dans laquelle la paroi chaude structurelle est constituée de viroles multiperforées disposées entre l'entrée recevant l'air et le combustible à brûler et la sortie par laquelle s'évacuent les produits de la combustion. Les tuiles sont placées à une certaine distance des viroles et sont disposées en anneaux délimitant avec les viroles des espaces annulaires o circule l'air de refroidissement provenant de l'extérieur de la chambre. Les anneaux sont disposés bout à bout et décalés radialement, de manière à former des gradins définissant des ouïes par lesquelles s'évacue l'air de refroidissement sous la forme d'un film pariétal. Cependant, cette disposition en gradins favorise des gradients thermiques entre les tuiles. La présente invention propose une disposition de tuiles jointives o l'interliaison de ces tuiles sera optimisée et refroidie par impact et multiperforation. FR-A-2 644 209 décrit une chemise de protection pour un canal de postcombustion, constituée de tuiles jointives dans la direction d'écoulement des gaz, ces tuiles étant fixées par leurs extrémités, à distance du carter d'écoulement du flux froid, au moyen de boulons. La liaison entre les tuiles est assurée par une rainure formée à l'extrémité aval de la tuile située en amont dans laquelle s'encastre de manière étanche un bourrelet ou un joint métallique prévu sur la face amont de la tuile située en aval. Il n'y est pas prévu de moyens de refroidissement de cette liaison étanche. L'invention concerne donc une chambre de combustion pour moteur à turbine à gaz, comprenant en amont une entrée pour recevoir l'air et le combustible à brûler, en aval une sortie pour évacuer les produits de la combustion, au moins une virole multiperforée placée entre l'entrée et la sortie pour supporter les forces mécaniques associées à la chambre de combustion, et une chemise de protection thermique coopérant avec la virole et définissant une zone de combustion, cette chemise étant constituée de tuiles disposées côte à côte pour former des anneaux euxmêmes disposés bout à bout d'amont en aval, les anneaux définissant avec la virole des espaces annulaires dans lesquels circule un air de refroidissement provenant de l'extérieur de la chambre de combustion et destiné à former un film pariétal de protection à la périphérie de la zone de combustion. Cette chambre de combustion est caractérisée par le fait que les tuiles sont en contact avec la virole par l'intermédiaire de surépaisseurs prévues sur leur face externe, par le fait qu'à la jonction de deux tuiles adjacentes dans la direction axiale, le bord interne aval de la tuile située en amont est effilé et disposé dans un chanfrein ménagé dans le bord interne amont de la tuile située en aval, de manière à définir entre lesdites deux tuiles une fente inclinée dans le sens de l'écoulement des gaz dans la zone de combustion et de telle manière que les faces internes desdites deux tuiles sont sensiblement dans le prolongement l'une de l'autre, par le fait que la jonction entre deux tuiles adjacentes dans la direction axiale est réalisée avec un jeu débouchant dans ladite fente et alimenté en air de refroidissement afin d'assurer le refroidissement de la jonction par convection, et par le fait que le bord aval effilé d'une tuile est refroidi par impact au moyen d'une pluralité d'orifices ménagés dans la tuile aval adjacente. Selon une première forme de réalisation, l'extrémité aval d'une tuile chevauche avec jeu l'extrémité amont de la tuile adjacente située en aval, cette extrémité amont étant en contact avec la virole. Selon une deuxième forme de réalisation, la face radiale aval d'une tuile comporte une rainure annulaire dans laquelle loge avec jeu un moyen mâle de fixation prévu sur la face radiale amont de la tuile adjacente située en aval. Ce moyen mâle est constitué, de préférence, par une protubérance amont s'adaptant avec jeu dans la rainure annulaire et comportant des zones en forme de bourrelet circulaire qui s'ajustent sans jeu dans la rainure annulaire. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'une paroi de chambre de combustion équipée d'anneaux de tuiles selon l'art antérieur; la figure 2 montre les courbes représentatives des températures des tuiles, selon l'axe d'écoulement des produits de la combustion, dans la chambre de combustion selon l'art antérieur; la figure 3 montre en coupe la disposition de deux tuiles adjacentes dans la direction de l'écoulement des produits de combustion au niveau de leur jonction selon un premier mode de réalisation; la figure 4 montre en perspective l'extrémité aval d'une tuile selon le premier mode de réalisation; la figure 5 montre en perspective l'extrémité amont d'une tuile selon le premier mode de réalisation; la figure 6 montre en coupe la liaison de deux tuiles adjacentes dans la direction de l'écoulement des produits de la combustion selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; la figure 7 est une vue de dessus d'une tuile selon le deuxième mode de réalisation; et la figure 8 montre la fixation d'une tuile sur la virole. Sur la figure 1 on a représenté par la référence 1 une chambre de combustion pour turbine à gaz qui comporte en amont une entrée 2 pour recevoir l'air et le combustible à brûler, en aval une sortie 3 pour évacuer les produits de combustion vers la turbine haute pression, et une virole multiperforée 4 placée entre l'entrée 2 et la sortie 3 et destinée à supporter les forces mécaniques associées à la chambre de combustion. Cette chambre de combustion 1 peut être tubulaire ou annulaire. La référence 5 représente la direction d'écoulement des gaz dans la zone de combustion 6. La virole 4 est revêtue sur sa face située du côté de la zone de combustion 6 d'une pluralité d'anneaux 7a, 7b disposés bout à bout dans le sens de la flèche 5 et constitués chacun d'une pluralité de tuiles disposées côte à côte. Les anneaux 7a, 7b sont espacés radialement de manière à former dans la zone de combustion 6 des gradins définissant des ouïes 8 par lesquelles s'écoule un air de refroidissement A provenant de l'extérieur de la chambre de combustion 1 à travers les perforations de la virole 4 et circulant dans les espaces annulaires 8a, 8b délimitées par les anneaux 7a, 7b et la virole 4. L'air de refroidissement A forme un film pariétal de refroidissement à la périphérie de la zone de combustion 6. La figure 2 montre les courbes C1 et C2 des températures des anneaux 7a et 7b en fonction de l'abscisse X mesurée le long de l'axe 5. On constate un fort gradient thermique dans la région des ouïes 8. Les figures 3 à 5 montrent la disposition des deux anneaux consécutifs 7a, 7b selon un premier mode de réalisation de l'invention. La référence 9 représente une tuile quelconque de l'anneau amont 7a et la référence 10 représente la tuile adjacente de l'anneau aval 7b. L'extrémité aval 11 de la tuile 9 est effilée et disposée sous l'extrémité amont 12 de la tuile 10, cette extrémité amont 12 étant en contact avec la virole multiperforée 4. Les tuiles 9 et 10 comportent sur leur face supérieure en vis-à-vis de la virole 4 des surépaisseurs 13 et 14 également en contact avec la virole 4. L'extrémité amont 12 de la tuile 10 est prolongée vers l'aval par une paroi inclinée 15 qui délimite avec l'extrémité effilée 11 une fente 16 débouchant dans la zone de combustion 6 et inclinée dans la direction 5 de l'écoulement des gaz: Les faces internes 9a et 10a des tuiles 9 et 10 sont sensiblement dans le prolongement l'une de l'autre. Un jeu J de 0,1mm à 0,2mm est prévu entre l'extrémité amont 12 de la tuile 10 et l'extrémité effilée 11 de la tuile 9. De l'air de refroidissement, provenant de l'espace annulaire 8a, s'écoule dans la fente 16 à travers le jeu J. Cet air de refroidissement permet de refroidir par convection l'extrémité effilée 11 de la tuile 9 et l'extrémité amont 12 de la tuile 10. De plus, une pluralité d'orifices 17 sont ménagés dans la paroi inclinée 15 de la tuile 10 afin de refroidir par impact l'extrémité effilée 11 de la tuile 9. Des orifices inclinées de multiperforation 18 sont ménagés dans la partie aval de la tuile 9 afin de favoriser les échanges thermiques dans cette partie aval. De même, il est prévu des orifices inclinés de multiperforation 19, qui débouchent dans la face interne 10a de la tuile 10, dans la partie amont de la tuile 10 afin de favoriser les échanges thermiques dans cette partie amont. Les tuiles 9 et 10 sont fixées à la virole 4 au moyen de rivets, ainsi que cela est décrit plus loin dans le présent mémoire, et les surépaisseurs 13 et 14 sont calculées pour définir le jeu J lorsqu'elles sont en contact serré avec la virole multiperforée 4 après rivetage. Les figures 6 et 7 montrent un deuxième mode de réalisation de l'invention. La tuile 9 située en amont comporte sur son bord interne aval une extrémité effilée 11 qui loge dans un chanfrein ménagé dans le bord interne amont 15 de la tuile 10 située en aval et qui délimite avec ce bord interne amont 15 une fente 16. La fente 16 débouche dans la zone de combustion 6 et est inclinée par rapport à l'axe 5 de l'écoulement des produits de la combustion. Dans la face radiale aval 20 de la tuile 9 est ménagée une rainure annulaire 21 qui débouche au- dessus de l'extrémité effilée 11. La face radiale amont 22 de la tuile 10 comporte une protubérance annulaire 23 susceptible de s'engager avec un jeu J dans la rainure 21. De façon à définir le jeu J de la liaison avec précision, la protubérance 23 comporte des zones 24 en forme de bourrelet circulaire qui s'engagent sans jeu dans la rainure 21. Un espace annulaire 25 est défini entre les faces radiales 21 et 22 des tuiles 9 et 10, au voisinage de la virole 4. Cet espace annulaire 25 est alimenté en air de refroidissement par des orifices 26 ménagés dans la virole 4. Grâce au jeu J, l'air de refroidissement s'écoule de la cavité annulaire 25 vers la fente 16 en contournant la protubérance 23 en dehors des bourrelets 24. Les régions de la rainure 21 et de la protubérance 23 sont ainsi refroidies par convection. La partie aval de la tuile 9 et la partie amont de la tuile 10 peuvent également, selon le deuxième mode de réalisation, comporter des orifices 17 et des orifices de multiperforation 18 et 19 ainsi que cela est décrit pour le premier mode de réalisation. Ainsi qu'on le voit sur les figures 7 et 8, les tuiles 9 et 10 comportent des perçages 30, 31 entourés de surépaisseurs 32, 33, afin de permettre la fixation des tuiles 9, 10 sur la virole 4 au moyen de rivets 34. Les faces supérieures des surépaisseurs 32, 33 sont en appui contre la virole 4 après rivetage, ainsi que les faces externes des bords amont et aval des tuiles 9 et 10. La disposition des tuiles 9, 10 selon l'invention permet d'éviter les gradients thermiques entre les tuiles 9 et 10. Elle améliore la durée de vie des viroles de chambre 4. La disposition des tuiles jointives permet de conserver les avantages du refroidissement par multiperforation tout en gardant une structure de chambre froide. Elle permet également d'améliorer le profil des températures en sortie de chambre. REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion pour moteur à turbine à gaz, comprenant en amont une entrée (2) pour recevoir l'air et le combustible à brûler, en aval une sortie (3) pour évacuer les produits de la combustion, au moins une virole multiperforée (4) placée entre l'entrée (2) et la sortie pour supporter les forces mécaniques associées à la chambre de combustion, et une chemise (7a, 7b) de protection thermique coopérant avec la virole (4) et définissant une zone de combustion (6), cette chemise (7a, 7b) étant constituée de tuiles (9, 10) disposées côte à côte pour former des anneaux (7a, 7b) eux-mêmes disposés bout à bout d'amont en aval, les anneaux (7a, 7b) définissant avec la virole (4) des espaces annulaires (8a, 8b) dans lesquels circule un air de refroidissement provenant de l'extérieur de la chambre de combustion et destiné à former un film pariétal de protection à la périphérie de la zone de combustion (6), caractérisée par le fait que les tuiles (9, 10) sont en contact avec la virole (4) par l'intermédiaire de surépaisseurs (13, 14, 32, 33) prévues sur leur face externe, par le fait qu'à la jonction de deux tuiles adjacentes (9, 10) dans la direction axiale (5), le bord interne aval (11) de la tuile située en amont (9) est effilé et disposé dans un chanfrein ménagé dans le bord interne amont (15) de la tuile (10) située en aval, de manière à définir entre lesdites deux tuiles (9, 10) une fente (16) inclinée dans le sens de l'écoulement des gaz dans la zone de combustion (6) et de telle manière que les faces internes (9a, 10a) desdites deux tuiles (9, 10) sont sensiblement dans le prolongement l'une de l'autre, par le fait que la jonction entre deux tuiles adjacentes (9, 10) dans la direction axiale (5) est réalisée avec un jeu (J) débouchant dans ladite fente (16) et alimenté en air de refroidissement afin d'assurer le refroidissement de la jonction par convection, et par le fait que le bord aval effilé (11) d'une tuile (9) est refroidi par impact au moyen d'une pluralité d'orifices (17) ménagés dans la tuile aval adjacente (10). 2. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'extrémité aval (11) d'une tuile (9) chevauche avec jeu (J) l'extrémité amont (12) de la tuile (10) adjacente située en aval, cette extrémité amont (12) étant en contact avec la virole (4). 3. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la face radiale aval (20) d'une tuile (9) comporte une rainure annulaire (21) dans laquelle loge avec jeu (J) un moyen mâle (23) de fixation prévu sur la face radiale amont (22) de la tuile(10) adjacente située en aval. 4. Chambre de combustion selon la revendication 3, caractérisée par le fait que le moyen mâle est constitué par une protubérance amont (23) s'adaptant avec jeu (J) dans la rainure annulaire (21) et comportant des zones (24) en forme de bourrelet circulaire qui s'ajustent sans jeu dans la rainure annulaire (21). 5. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les tuiles (9, 10) sont fixées à la virole (4) au moyen de rivets (34).