Brevet FR2825786A1 — publié le 20021213

Donaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine spécif que des turbomacllines et elle s'intéresse plus particulièrement au problème posé par le montage d'un fond nétallique de chambre de combustion d'une turbomaclline sur les parois en matériau composite de type CMC (composite à matrice céramique) de cette chambre. At antérieur Classiquement, dals un turboréacteur ou un turbopropulseur, la turbine o haute pression, notamment son distributeur d'entrée (HPT nozzle), le système d'injection, la charnbre de combustion ainsi que le carter (appelé aussi enveloppe) de cette chambre sont réalisés dans des matériaux de type métallique. Toutefois, dans certaines conditions particulières d'utilisation mettant en _uvre des ternpératures de combustion notablement élevées, l'emploi d'une chambre entièrenent métallique s'avère d'un point de vue thennique totalement inadaptée et il doit être recouru à une chambre à base de matériaux conposites haute température de type CMC. Cependant, ces matériaux étant très coûteux et de faible résistance aux fortes sollicitations mécaniques, leur utilisation est le plus souvent limitée à la chambre de combustion elle même et plus particulièrement à o ses seules paro is axiales, le distributeur d' entrée de la turbine haute press ion, le système d'injection et le carter restant alors réalisés plus classiquement en des matériaux métalliques. Or, les natériaux métalliques et les natériaux composites ont des coeff cients de dilatation thermique très différents. Il en résulte des problèrnes particulièrenent aigus notamnent au niveau de la liaison entre les parois en matériau composite de la chambre de combustion et le fond de chambre métallique. Objet et définition de l'invention La présente invention pallie ces inconvénients en proposant un montage de fond de chambre métallique ayant la capacité d'absorber les déplacenents induits par les différences des coeffcients de dilatation entre ce fond métallique et les 2 2825786 parois en composite de la chambre de combustion. Un but de 1'invention est aussi de réaliser un montage ayant une bonne tenue dynamique et une bonne étanclléité. Ces buts sont atteints par une chambre de combustion annulaire comportant des parois axiales externe et inteme en matériau composite et un fond s de chambre en matériau métallique, ledit fond de chambre étant maintenu en position sur lesdites parois axiales exteme et interne par des moyens de fixation, caractérisce en ce que lesdits moyens de fixation traversent des cavités annulaires destinées à recevoir des parties cylindriques d'extrénité desdites parois axiales externe et interne et créées entre des bords périphériques dudit fond de chambre et 0 des parties en retour vers 1'aval leur faisant face7 un jeu déterminé J entre lesdits bords périphériques et les faces en regard desdites parois axiales externe et interne étant prévu de façon à permettre en fonctionnement une libre dilatation radiale dudit fond de chambre par rapport auxdites parois axiales. Avec ce système de fixation par simple boulonnage et montage coulissant, les dilatations du fond de chambre métallique sont absorbées sans détériorer les parois en matériau composite. Les moyens de fixation sont constitués par une pluralité de boulons, de ,, .. preterence a ecrou prsonmer. Avantageusement, les parois axiales externe et inteme sont pourvues d'une pluralité de trous destinés à coopérer avec lesdits moyens de fixation une fois ceux-ci montés sur ledit fond de chambre. Selon un mode de réalisation préférentiel, ce fond de chambre peut comporter en outre des moyens pour assurer l'étanchéité entre ledit fond de chambre et lesdites parois axiales. Ces moyens d'étanclléité comportent un joint circulaire de type " à lamelles >> monté dans une gorge circulaire dudit fond de chambre métallique et destiné à assurer un appui sur ladite paroi axiale de la chambre de combustion en regard. De préférence, ledit joint circulaire " à lamelles >> comporte dans sa partie aval un béquet destiné à assurer un appui torique sur ladite paroi axiale eM regard de la chambre de combustion. Il doit étre sectorisé et il est maintenu en appui contre ladite paroi axiale au moyen d'un élément élastique fixé sur ledit fond de chambre métallique. Cet élément élastique est constitué par un ressort à lames. 3 2825786 Selon un node de réalisation avantageux, le fond de chanbre peut intégrer en outre des casquettes inteme et exteme en natériau métallique qui prolongent vers l'anont ses bords périphériques et pernettent une meilleure naitrise de la tenue dynanique. Brève description des dessins Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante7 faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: o - la figure I est une vue schénatique en deni-coupe axiale d'une partie d'injection d'une turbonachine incoporant un premier exenple de réalisation d'un assemblage selon l'invention, - la figure la montre un détail de l'assenblage de la figure 1, - la figure 2 est une vue schénatique en deni-coupe axiale d'une partie d' injection d'une turbonachine incorporant un second exenple de réalisation d'un assenblage selon l'invention, et - la figure 2a nontre un détail de l'assemblage de la figure 2. Description détaillée d'un node de réalisation préférentiel Les figures 1 et 2 nontrent en deni-coupe axiale une partie d' injection d'une turbonachine conprenant: une enveloppe amulaire extele (ou cater externe) 12, d'axe longitudinal 10, une enveloppe annulaire inteme (ou cater inteme) coaxiale 14, un espace annulaire 16 conpris entre les deux enveloppes 12 et 14 recevant le conburant conpriné, généralement de 1'air, provenant en anont d'un compresseur (non représenté) de la turbonachine, au travers d'un conduit annulaire de diffusion 18 (on notera la présence de la grille de diffusion la) définissant un flux général F d'écoulement des gaz, cet espace 16 comportant, dans le sens d'écoulement des gaz, tout d'abord un ensemble d' injection fonné d'une pluralité de systèmes d' injection 20 régulièrement répartis autour du conduit 18 et comportant cllacun une buse 4 2825786 d'injection de carburant 22 fixée sur 1'enveloppe annulaire exteme 12 (dans un souci de simplification des dessins les nélangeur et déflecteur associés à chaque buse d' injection n'ont pas été représentés), ensuite une chambre de combustion annulaire 24, fonce d'une paroi axiale externe 26 et d'une paroi axiale intene s 28, toutes deux ccaxiales d'axe lO et réalisées en un matériau composite haute température, de type CMC ou autres (carbone par exemple), et d'une paroi transversale 30 réalisée en un matériau métallique, fonant fond de chambre, et pourvue d'ouvertures 32 pour la fixation d'une partie du système d'injection, et enfin un distributeur annulaire (non représenté) fonnant un étage d'entrée d'une turbine haute pression. Dans les deux modes de réalisation illustrés, le carénage (ou casquette) externe 34 prolongeant vers 1'amont (par rappot au flux F) la paroi exteme 26 de la chambre de combustion et le carénage (ou casquette) intele 36 prolongeant vers l'amont (par rapport au flux F) la paroi inteme 28 de la chambre de combustion sont directement intégrées au fond de chambre 30 et sont donc comme lui réalisés en matériau métallique (sinplifiant d'autant la forme générale des extrémités amont de la chambre de combustion qui peuvent donc être constituées par de simples parties cylindriques). Bien entendu, une configuration avec un carénage (caquette unique monobloc de fone torique) reliant les deux extrémités o des parois amont de la chambre de combustion (et muni alors d'ouvertures pour le passage des buses d'injection 22) est aussi envisageable. Selon l'invention, le fond annulaire métallique 30 de la chambre de combustion qui a un coefficient de dilatation themlique très différent de celui des parois axiales extene 26 et interne 28 en matériau composite de la chambre de s combustion, est maintenu en position sur les extrémités cylindriques amont des parois axiales par une pluralité de moyens de fixation 38, 40 régulièrernent répartis autour de l'axe longitudinal 10. Ces moyens de fixation traversent des cavités annulaires 42, 44, destinées à recevoir les parties cylindriques d'extrémité de ces parois axiales, et créées entre des bords périphériques du fond de chambre 30 et des parties en retour en regard 46, 48 prolongeant les casquettes 34, 36 vers I'aval. s 2825786 Selon un premier exemple de réalisation, illustré de façon générale à la figure 1 et plus en détail à la fgure IA, les moyens de fixation 38, 40 sont fonnés par une pluralité de boulons métalliques de type à écrou prisonnier, c'est à dire conportant chacun une vis 38a, un écrou 38b et une cage d'anét 38c fixée sur le s fond de chambre 30 (avantageusement par une soudure par point) et assurant un blocage en rotation de 1'écrou. Avec ce type de boulons, le serrage (lors du montage) est obtenu directement par le seul vissage de la vis sans qu'il soit besoin de l'emploi d'un outillage particulier pour l'immobilisation en rotation de 1'écrou (pince par exemple), celle-ci étant obtenue très simplement par la seule cage to d'arrêt. De mêine, le démontage peut s'effectuer aussi très simplement de manière inverse par le seul dessen age de la vis. Un jeu J entre les faces internes des parois axiales externe 28 et interne 26 et les bords périphériques en regard du fond de chambre 30 est calculé de façon à pennettre en fonctionnement une libre dilatation de la casquette nétallique par rapport à ces parois axiales en matériau composite. Ce jeu pennet en effet d' absorber les dilatations du fond de chambre sans détériorer les parois axiales en composite qui se déplacent peu radialement. Le système de double centrage des parois externe 26 et inteme 28 dans les cavités correspondantes 42, 44 pennet d'assurer une étanchéité relative du fond de chambre tout en servant aussi au maintien axial lors du montage (à froid) comme lors des phases de vol en régime de croisière (à chaud). Pour faciliter le montage du fond de chambre sur les parois axiales, celles- ci sont pourvues de trous 26a, 28b destinés à recevoir des douilles 38d, 40d traversces par les axes de vis des moyens de fixation 38, 40 montés préulablement s sur le fond de chambre, le contact permanent des vis avec la casquette 34, 36 limitant les risques de pete du couple de sen age lors de ce montage. Ces douilles sur lesquelles VOilt coulisser les parois axiales 26, 28 lors de la dilatation du fond de chambre 30 favorisent en outre le centrage et 1'appui de ces parois axiales. La fgure 2 illustre de façon générale un second exemple de réalisation dont le détail est montré à la fgure 2a et dans lequel pour garantir une meilleure étanchéité entre la paroi axiale exteme 26 ou inteme 28 et le fond de chambre 30, un joint circulaire de type " à lamelles >> 50, 52 est monté dans une gorge circulaire 6 2825786 54, 56 pratiquée à 1'extrémité de la partie en retour aval 46, 48 de la casquette externe 34 ou interne 36. Ce joint d'étanchéité conpote dans sa partie aval un béquet 58, 60 destiné à assurer un appui torique sur la paroi axiale en regard 26, 28 de la cllanbre de conbustion. Le joint est plaqué contre la paroi par un élément s élastique 62, 64, de préférence un ressort à lanes, e maintenu en position par une pluralité de pions 66, 68 solidaires de 1'extrénité aval de la casquette. On notera, comne précédemment, que le jeu existant entre les bords périphériques du fond de cllambre et les faces internes des parois axiales est détenniné pour pennettre d' absorber les dilatations du fond de cllambre sans 0 détériorer les parois axiales en natériau conposite. Le joint assurant l'étanclléité avec la paroi axiale externe est précontraint à froid et celui assurant l'étanchéité avec la paroi inierne est nis juste en contact. A chaud, c'est l'inverse du fait des différences de dilatation entre le fond de chanbre métallique et les parois intene et extene. 7 2825786 REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion annulaire comportant des parois axiales exteme (26) et inter1le (28) en matériau composite et un fond de chambre (30) en s matériau métallique, ledit fond de chambre étant maintenu en position sur lesdites parois axiales exteme et interne par des moyens de fixation (38, 40), caractérisée en ce que lesdits moyens de fxation traversent des cavités annulaires (42, 44) destinées à recevoir des parties cylindriques d'extrémité desdites parois axiales extene et interne et créées entre des bords périphériques dudit fond de chambre et 0 des parties en retour vers l'aval (467 48) leur faisant face, un jeu déterminé J entre lesdits bords périphériques et les faces en regard desdites parois axiales externe et interne étant prévu de façon à permettre en fonctionnement une libre dilatation radiale dudit fond de chambre par rapport auxdites parois axiales. 2. Chambre de combustion selon la revendication l, caractérisée en ce que lesdits noyens de fixation sont constitués par une pluralité de boulons, de préférence à écrou prisonnier. 3. Chambre de conbustion selon la revendication 1, caractérisce en ce que lesdites parois axiales externe et interne sont pourvues d'une pluralité de trous (26a, 28b) destinés à coopérer avec lesdits moyens de fixation une fois ceux-ci montés sur ledit fond de chambre. 4. Chambre de combustion selon la revendication l, caractérisée en ce que ledit fond de chambre comporte en outre des moyens (50-68) pour assurer l'étanchéité entre ledit fond de chambre et lesdites parois axiales. 5. ChanDre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce s que lesdits moyens d'étanchéité comportent un joint circulaire de type " à lamelles " (50, 52) monté dans une gorge circulaire (54, 56) dudit fond de chanbre métallique et destiné à assurer un appui sur ladite paroi axiale en regard de la chambre de combustion en regard. 6. Chambre de combustion selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit joint circulaire " à lamelles " comporte dans sa partie aval un béquet (58, ) destiné à assurer un appui torique sur ladite paroi axiale en regard de la chambre de combustion. 8 2825786 7. Chambre de conbustion selon la revendication 5? caractérisée en ce que ledit joint circulaire d'étanchéité est sectorisé. 58. Chambre de combustion selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit joint circulaire d'étanchéité est maintenu en appui contre ladite paroi s axiale au moyen d'un élément élastique (62, 64) fixé sur ledit fond de chambre métal I ique. 9. Chambre de combustion selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit élément élastique est constitué par un ressort à lames. 10. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce 0 que ledit fond de chambre intègre des casquettes inteme et exteme en matériau