Brevet FR2825778A1 — publié le 20021213

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine spécifique des turbomachines et elle s'intéresse plus particulièrement au problème posé par le montage du système métallique d'injection de carburant sur la chambre de ZD combustion réalisée en matériau composite de type CMC (composite à matrice céramique). Art antérieur Classiquement, dans un turboréacteur ou un turbopropulseur, la turbine haute pression, notamment son distributeur d'entrée (HPT nozzle), le système d'injection, la chambre de combustion ainsi que l'enveloppe annulaire de cette chambre sont réalisées dans des matériaux de type métallique. Cependant, dans certaines conditions particulières d'utilisation mettant en oeuvre des températures de combustion notablement élevées, l'emploi d'une chambre entièrement métallique s'avère d'un point de vue thermique totalement inadaptée et il doit être recouru à une chambre à base de matériaux composites haute température de type CMC. Toutefois, les difficultés de mise en oeuvre et le coût de ces matériaux font que leur utilisation est souvent limitée à la chambre de combustion elle-même, le distributeur d'entrée de la turbine haute pression, l'enveloppe annulaire et le système d'injection de carburant restant réalisés plus classiquement en des matériaux métalliques. Or, les matériaux métalliques et les matériaux composites ont des coefficients de dilatation thermique très différents. Il en résulte des problèmes aigus notamment au niveau de la liaison entre la chambre de z : l combustion en matériau composite, particulièrement le fond de cette chambre, et le système métallique d'injection de carburant. Objet et définition de l'invention La présente invention pallie ces inconvénients en proposant une liaison de fond de chambre ayant la capacité d'absorber les déplacements induits par les différences des coefficients de dilatation entre ce fond en matériau composite et le système métallique d'injection de carburant. Ces buts sont atteints par un dispositif de liaison entre un système d'injection d'une chambre de combustion et un fond de chambre en matériau composite de cette chambre de combustion, ledit système d'injection comportant une buse d'injection de carburant et un ensemble métallique mélangeur/déflecteur, 1 et le fond de chambre en matériau composite comportant une pluralité d'ouvertures dans chacune desquelles débouche un ensemble mélangeur/déflecteur associé à une buse d'injection de carburant déterminée, caractérisé en ce que ledit ensemble métallique mélangeur/déflecteur est monté coulissant dans ladite ouverture dudit fond de chambre en matériau composite, de façon à permettre une libre dilatation radiale de l'ensemble mélangeur/déflecteur métallique par rapport audit fond de chambre en matériau composite. Avec ce système de liaison coulissante, les dilatations du système métallique d'injection sont absorbées sans détérioration du fond de chambre en matériau composite. Ledit ensemble métallique mélangeur/déflecteur est monté coulissant dans ladite ouverture dudit fond de chambre entre une bride annulaire dudit ensemble et un anneau de fermeture métallique fixé sur une partie annulaire dudit ensemble qui s'étend au travers de ladite ouverture en arrière dudit fond de chambre. De même, ledit ensemble métallique mélangeur/déflecteur peut aussi être monté coulissant sur une extrémité de ladite buse d'injection par l'intermédiaire d'une couronne solidaire de ladite extrémité qui peut se déplacer, perpendiculairement à un axe de révolution de ladite buse, dans un logement annulaire dudit ensemble mélaiig mélangeur/déflecteur. De préférence, l'anneau de fermeture métallique est brasé ou soudé sur ladite partie annulaire en saillie dudit ensemble mélangeur/déflecteur. De préférence, ledit fond de chambre en composite est protégé localement au niveau de zones de frottement avec ledit anneau de fermeture et ladite bride annulaire. Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de liaison comporte en outre des moyens d'étanchéité formés par un joint circulaire de type oméga monté entre ladite bride annulaire dudit ensemble mélangeur/déflecteur et ledit anneau de fermeture métallique. Brève description des dessins Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'une partie d'injection d'une turbomachine incorporant un premier exemple de réalisation d'une liaison selon l'invention, - la figure la montre un détail de la liaison de la figure 1, - la figure 2 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'une partie d'injection d'une turbomachine incorporant un second exemple de réalisation d'une liaison selon l'invention, et - la figure 2a montre un détail de la liaison de la figure 2. Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel La figure 1 montre en demi-coupe axiale une partie d'injection d'une turbomachine comprenant : . une enveloppe annulaire externe (ou carter externe) 12, d'axe longitudinal 10, . une enveloppe annulaire interne (ou carter interne) coaxiale 14, . un espace annulaire 16 compris entre les deux enveloppes 12 et 14 recevant le comburant comprimé, généralement de l'air, provenant en amont d'un ZD compresseur (non représenté) de la turbomachine, au travers d'un conduit annulaire de diffusion 18 (on notera la présence de la grille de diffusion 18a) 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, ensuite une chambre de combustion annulaire 24, et enfin un distributeur annulaire (non représenté) formant un étage d'entrée d'une turbine haute pression. Zn La chambre de combustion annulaire 24 réalisée en un matériau composite haute température de type CMC ou autres (carbone par exemple), est formée d'une paroi axiale externe 26 et d'une paroi axiale interne 28, toutes deux coaxiales d'axe 10 et d'une paroi transversale 30 formant fond de chambre, et pourvue d'une pluralité d'ouvertures 32. Dans la réalisation illustrée qui ne saurait être limitative, la liaison entre les extrémités amont des parois axiales de la chambre 26,28 et des extrémités rabattues du fond de chambre 30 est effectuée par des boulons 34a, 34b. Pour en faciliter le montage/démontage, ces boulons à vis à tête conique peuvent être choisis de préférence de type à écrou prisonnier. L'ensemble d'injection est quant à lui formé d'une pluralité de systèmes d'injection 20 fixés sur l'enveloppe annulaire externe 12 et régulièrement répartis autour du conduit 18, et comportant chacun d'une part une buse d'injection de carburant 22 assurant la vaporisation du carburant dans la chambre de combustion et d'autre part un ensemble métallique mélangeur/déflecteur 36 qui réalise le 1 mélange comburant/carburant et le diffuse dans cette chambre de combustion. Selon l'invention, chaque ensemble mélangeur/déflecteur 36 qui comporte classiquement au moins un venturi 40 entouré d'au moins une vrille (swirler) 42, 44 que prolonge un bol 46 et un déflecteur 48 qui s'étend au travers de l'ouverture 32 dans la chambre de combustion 24 en avant du fond de chambre 30, est monté coulissant sur le fond de chambre 30 ainsi que sur une extrémité libre de la buse d'injection 22. Afin de laisser un débattement suffisant entre la buse d'injection solidaire de l'enveloppe externe et l'ensemble mélangeur/déflecteur, cet ensemble 36 est monté coulissant, perpendiculairement à un axe de révolution S de cette buse, sur une couronne 38 montée à l'extrémité libre de la buse et qui peut se déplacer dans un logement annulaire 39 dudit ensemble mélangeur/déflecteur. Selon un premier mode de réalisation de l'invention (voir aussi la figure la), l'ensemble métallique mélangeur/déflecteur 36 du système d'injection en carburant 20 qui a un coefficient de dilatation thermique très différent de celui du fond de chambre 30 réalisé en matériau composite (il se dilate en effet plus que le fond de chambre), est monté coulissant dans l'ouverture 32 du fond de chambre 30 entre une bride annulaire 54 du bol 46 et un anneau de fermeture métallique 50 brasé (ou soudé) sur une partie annulaire 52 du bol 46 qui s'étend au travers de l'ouverture 32 vers l'amont de la chambre de combustion, c'est à dire en arrière du fond de chambre 30, de façon à permettre une libre dilatation radiale de l'ensemble mélangeur/déflecteur 36 par rapport à ce fond de chambre. A cet effet, un jeu suffisant est laissé entre la périphérie de l'ouverture 32 et la partie annulaire en saillie 52. Avantageusement, le déflecteur 48 est sectorisé reconstituant le fond de chambre mais limitant en partie les contraintes dues à la dilatation thermique. Avec cette configuration, l'ensemble mélangeur/déflecteur 36 peut sous l'effet de cette dilatation coulisser librement sur le fond de chambre 30 en matériau composite. De préférence, le matériau composite est protégé localement, au niveau des zones de frottement avec l'anneau de fermeture 50 et la bride annulaire 54, par tout dépôt approprié afin de lui éviter une usure excessive. Toutefois, l'étanchéité (la maîtrise des fuites) au niveau de l'anneau de fermeture métallique n'est toutefois pas assurée, ce qui peut être assez gênant dans certaines conditions particulières d'utilisation. Aussi, la figure 2 illustre un second exemple de réalisation (voir aussi le c détail de la figure 2a) dans lequel l'étanchéité entre le fond de chambre 30 et l'anneau de fermeture métallique 50 est assurée par un joint circulaire de type oméga 56 monté entre cet anneau et la bride annulaire 54 du bol 46 contre la partie annulaire en saillie 52. Les dimensions respectives de la bride annulaire 54 et de l'anneau 50 sont déterminées de telle façon qu'à chaud il ne puisse y avoir de contact entre la périphérie de cette bride et le fond de chambre 30 qui est alors directement en appui (c'est à dire sans le jeu précédent) contre le joint 56. Outre sa fonction d'étanchéité, ce joint assure aussi le centrage de l'ensemble mélangeur/déflecteur 36 sur le fond de chambre 30. Avec la configuration de liaison coulissante proposée, les dilatations des constituants du système d'injection sont absorbées sans détérioration des parties en composite de la chambre de combustion, les parties coulissantes permettant d'éviter une sollicitation en contraintes tangentielles dans le CMC due à la 1 dilatation différentielle de ce système d'injection. REVENDICATIONS 1. Dispositif de liaison entre un système d'injection (20) d'une chambre de combustion (24) et un fond de chambre en matériau composite de cette chambre de combustion, ledit système d'injection comportant une buse d'injection de carburant (22) et un ensemble métallique mélangeur/déflecteur (36), et ledit fond de chambre (30) en matériau composite comportant une pluralité d'ouvertures (32) dans chacune desquelles débouche un ensemble métallique mélangeur/déflecteur associé à une buse d'injection de carburant déterminée, caractérisé en ce que ledit ensemble métallique mélangeur/déflecteur est monté t : l coulissant dans ladite ouverture dudit fond de chambre en matériau composite, de façon à permettre une libre dilatation radiale de l'ensemble mélangeur/déflecteur métallique par rapport audit fond de chambre en matériau composite. 2. Dispositif de liaison selon la revendication I, caractérisé en ce que ledit ensemble métallique mélangeur/déflecteur est monté coulissant dans ladite ouverture dudit fond de chambre entre une bride annulaire (54) dudit ensemble et un anneau de fermeture métallique (50) fixé sur une partie annulaire (52) dudit ensemble qui s'étend au travers de ladite ouverture en arrière dudit fond de chambre. 3. Dispositif de liaison selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit anneau de fermeture métallique est brasé ou soudé sur ladite partie annulaire en saillie (52) dudit ensemble mélangeur/déflecteur. 4. Dispositif de liaison selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit fond de chambre en composite est protégé localement au niveau de zones de frottement avec ledit anneau de fermeture et ladite bride annulaire. 5. Dispositif de liaison selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'étanchéité (56) monté entre ladite bride annulaire dudit ensemble mélangeur/déflecteur et ledit anneau de fermeture métallique. 6. Dispositif de liaison selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens d'étanchéité comportent un joint circulaire de type oméga) > . 7. Dispositif de liaison selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble métallique mélangeur/déflecteur est en outre monté coulissant sur une extrémité de ladite buse d'injection par l'intermédiaire d'une couronne (38) solidaire de ladite extrémité qui peut se déplacer, perpendiculairement à un axe de révolution de ladite buse, dans un logement annulaire (39) dudit ensemble mélangeur/déflecteur.