Brevet FR2825784A1 — publié le 20021213

. -. 1 2825784 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 s montage d'une chambre de combustion en matériau composite de type CMC (composite à matrice céramique) dans les carters métalliques de chambre d'une turbomachine. Art antérieur 0 Classiquement, dans un turboréacteur ou un turbopropulseur, la turbine haute pression, notamment son distributeur d'entrée (HPT nozzle), la chambre de combustion ainsi que les enveloppes (ou carters) interne et externe de cette chambre sont réalisées dans un même matériau, généralement métallique. Cependant, dans certaines conditions particulières d'utilisation mettant en _uvre S des températures de combustion notablement élevoes, l'emploi d'une cllambre métallique s'avère d'un point de vue thennique 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 _uvre et le coût de ces matériaux font que leur utilisation est le plus souvent limitée à la chambre de connbustion elle o même, le distributeur d'entrée de la turbine haute pression et les enveloppes interne et externe de la chambre restant alors réalisces plus classiquement en des matériaux métalliques. Or, les matériaux métalliques et les matériaux composites ont des coeff cients de dilatation thennique très différents. I1 en résulte des problèmes particulièrement aigus de liaison avec les enveloppes inteme et exteme s et d' interface au niveau du distributeur, en entrée de la turbine haute pression. Objet et définition de l'invention La présente invention pallie ces inconvénients en proposant un montage de la chambre de combustion dans les carters, ayant la capacité d'absorber les déplacements induits par les différences des coefficients de dilatation de ces pièces. Un but de l'invention est aussi de proposer un montage qui utilise au mieux les caractéristiques existantes de la chambre de combustion. Ces buts sont atteints par une turbomaclline comportant, dans des enveloppes annulaires inteme et externe en matériau métallique et selon un sens F d'écoulement des gaz, un ensemble d'injection d'un carburant, une chambre de combustion annulaire en matériau composite ayant un axe longitudinal et s comportant une pluralité d'orifices d'alimentation en comburant, et un distributeur annulaire en matériau métallique formant l'étage d'entrée à aubes fixes d'une turUine haute pression, caractérisée en ce que ladite cllambre de combustion en matériau composite est maintenue en position entre lesdites enveloppes annulaires métalliques inteme et extene par une pluralité de languettes métalliques souples, des premières extrémités desdites languettes étant relices entre elles par une couromle métallique fixée solidairement à cllacune desdites enveloppes annulaires métalliques interne et exteme par des premiers moyens de fixation et des secondes extrémités étant fixées sol idairement à ladite chambre de combustion en matéri au composite au niveau d' au moins une partie desdits orifices d 'alimentation en ] 5 comburant par des seconds moyens de fxation, la souplesse desdites languettes de fixation pennettant à des températures élevées des libres déplacements radiaux et axiaux entre ladite chambre de conbustion en matériau composite et lesdites enveloppes annulaires métalliques. Les orifices d'alimentation en comburant sont constitués par des trous d' al imentation en air d'une zone primaire et/ou d 'une o zone de dilution de ladite cllambre de combustion. Avec cette structure particulière de liaison fixe, les différentes usures dues aux corrosions de contact des systèmes de l'art antérieur peuvent être évitées. Le recours aux trous primaires ou de dilution (selon la configuration de chambre envisagée) comme point d'ancrage pennet de plus de simplifier considérablement cette liaison et d'en limiter l'encombrement. En outre, la présence des languettes souples en lieu et place des brides traditionelles pennet un gain en masse particulièrement appréciable. Ces languettes, de pat leur souplesse, pennettent de supporter facilement l'écart de dilatation apparaissant aux températures élevées entre pièces métalliques et composites (en reprenant les déplacements dus à la dilatation) tout en assurant un parfait maintien et un bon centrage de la chambre de combustion dans les enveloppes annulaires. Les languettes de fixation souples sont réalisées en un matériau métallique et les premiers moyens de fixation sont constitués de préférence par une pluralité de boulons. Selon le mode de réalisation envisagé, lesdites premières extrémités des languettes sont soit reliées par brasage ou soudage à ladite couronne soit fonnent une pièce unique avec elle. Lorsque ladite enveloppe annulaire métallique est fonnée en deux parties, cette couronne est de prétérence montée entre des brides de liaison de ces deux parties de ladite enveloppe annulaire métallique. Selon un mode de réalisation prétérentiel, lesdits seconds moyens de o fixation comportent cllacun une collerette insérée dans 1'orifice d'alimentation en comburant de ladite chambre de combustion et setie sur les secondes extrémités des languettes pour assurer le maintien de ces languettes contre la clambre de combustion une fois le sertissage réalisé. Selon un mode de réalisation altenatif, lesdits seconds moyens de fixation i comportent une pluralité d'inserts fonnés cllacun de deux paties concentriques fixées l'une sur l'autre, d'une part une collerette appuyee sur une paroi axiale de la cllambre de combustion et d'autre part une bague qui entoure ladite collerette et plaque les secondes extrémités des languettes contre ladite paroi axiale. Avantageusement, lesdites languettes ont une ouveture pratiquée près de o leurs dites secondes extrémités pour améliorer l'alimentation desUits orifices d'alimentation en comburant. De prétérence, l'étanclléité de la veine de gaz entre ladite cllambre de combustion et ledit distributeur est assurée par un joint circulaire " à lamelles >> qui s'appuie directement sur une extrémité aval de ladite chambre de combustion fonnant un plan d'appui pour ce joint circulaire d'étancléité. Brève description des dessins Les caractéristiques et avantages de la présente inventior1 ressotiront nieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue scllématique en demi-coupe axiale d'une zone centrale d'une turbomacline dans un premier mode de réalisation de l'invention, - les figures IA et 1B montrent un exemple de languette souple destince à la fixation respectivement des parois exteme et inteme de la cllambre de combustion, la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1 dans une configuration de liaison altemative, et - la figure 3 est une vue schématique en demi -coupe ax iale d ' une zone centrale d'une turbomachine dans un second mode de réalisation de l' invention. Description détaillée d'un mode de réalisation prétérentiel Les figures I et 3 montrent en demi-coupe axiale une partie centrale d'un o turboréacteur ou d'un turbopropulseur (appelé turbomaclline dans la suite de la description) comprenant: une enveloppe annulaire exteme (ou carter exteme) en deux parties 12a, 12b en matériau métallique, d'axe longitudinal 10, une enveloppe annulaire interne (ou carter interne) coaxiale en deux parties 14a, s 14b également en matériau métallique, un espace annulaire 16 compris entre les deux enveloppes 12a, 12b et 14a, 14b recevant le comburant comprimé, généralement de l'air, provenant en amont d'un compresseur (non représenté) de la turbomachine, au travers d'un conduit annulaire de diffusion 18 définissant un flux général F d'écoulement des gaz, o cet espace 16 comportant, dans le sens d'écoulement des gaz, tout d'abord un ensemble d' injection fomé d'une pluralité de systèmes d' injection 20 régulièrement répartis autour du conduit 18 et compotant une buse dinjection de carburant 22 fixée sur une partie amont 12a de 1'enveloppe annulaire externe (dans un souci de simplification des dessins le mélangeur et le déflecteur associé à s chaque buse d'injection n'ont pas été représentés), ensuite une chambre de combustion en matériau composite 24, par exemple de type CMC, fonnée 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 elle même en matériau composite haute température de type CM C ou autres (carbone par exempl e) qui constitue le fond de cette chambre de combustion et qui comporte des rabats 32, 34 fixés, par exemple par des boulons métalliques ou rétractaires notamment à vis à tête conique, sur des extrémités amont 36, 38 des parois axiales 26, 28, ce fond de la s chambre 30 étant pourvu d'orifices de passage 40 pour pennettre 1'injection du carburant et d'une partie du comburant dans la chambre de combustion 24, et les parois axiales comportant une pluralité d'orifces 41a, 41b d'alimentation en comburant, et enfin un distributeur amulaire 42 en matériau métallique fonnant un étage d'entrée d'une turbine haute pression (non représentée) et comportant classiquement une pluralité d'aubes fixes 44 montées entre une plate-forme circulaire exteme 46 et une plate-fonne circulaire inteme 48. Le distributeur est fixé sur une partie aval 14b de 1'enveloppe annulaire inteme de la turbomaclline par des premiers moyens de fixation amovibles 0 constitués de préférence par une pluralité de boulons 50 tout en reposant sur des moyens support 49 solidaire de 1'enveloppe annulaire exteme de la turbomaclline. Le comburant comprimé, en sortie du conduit de diffusion 18, est séparé en plusieurs flux distincts dont deux flux F1, F2 s'écoulant de part et d'autre de la chambre de combustion 24 (un autre flux central F3 se mélangeant au carburant pour être injecté dans la chambre). Chaque flux de comburant F1, F2 est ensuite soit introduit dans cette clambre par les orifices d'alimentation 41a, 41b soit dirigé vers des orifices de passage 54, 56 ménagés dans les plates-fonnes métalliques externe 46 et interne 48 du distributeur 42 pour assurer un refroidissement des aubes fixes 44 de ce distributeur en entrée du rotor de la o turbine haute pression. Selon l'invention, la chambre de combustion 24, qui a un coefficient de dilatation tlennique très différent des autres pièces métalliques fonnant la turbomaclline, est maintenue fixement en position entre les enveloppes annulaires inteme et exteme par une pluralité de languettes souples 58, 60 régulièrement réparties autour de la chambre de combustion. Ces languettes de fixation sont montées pour une première partie d'entre elles (voir la languette référencée 58) entre l'enveloppe annulaire exteme 12a, 12b et la paroi axiale exteme 26 de la cllambre de combustion et pour une seconde patie (comme la languette 60) entre l'enveloppe annulaire inteme 14a, 14b et la paroi axiale inteme 28 de la chambre o de combustion. Comme l'illustrent les figures 1A et IB, chaque languette de fixation souple en matériau métallique, de fome sensiblement triangulaire, est brasée ou soudée par sa base 62;64 à, ou fonnée en une pièce unique d'un seul tenant avec, une couronne métallique 66a, 66b fixée solidairement et selon son emplacement à l'une ou l'autre des enveloppes annulaires métalliques exteme 12 ou inteme 14 par des premiers moyens de fixation 52, 68, son sommet 70; 72 étant fixé solidairement aux parois axiales extenne 26 et inteme 28 de la chambre de combustion en matériau composite au niveau de tout ou partie des orifices d'alimentation en comburant 41a, 41b par des seconds moyens de fixation 74, 76. Ces orifices d'alimentation en comburant peuvent être les trous de dilution et/ou les trous primaires d'alimentation en air (notamment dans le cas d'une I 0 configuration de chambre dite " courte ") de la chambre de combustion. Le nombre de languettes est proportionnel au nombre de ces trous qui sont en général au même nombre que les buses d'injection ou égal à un multiple de ce nombre (par exemple on montera 60 languettes si la chambre comporte 20 buses d' injection avec chacun 3 trous de dilution). La figure 1 illustre un premier mode de réalisation de l'invention dans lequel les sommets 70, 72, fonnant des secondes extrémités des languettes, sont fixés respectivement sur les parois axiales extenne 26 et inteme 28 de la chambre de combustion par sertissage au moyen d'une collerette 74, 76 insérée coté foyer dans l'orifice d'alimentation en comburant 41a, 41b et qui va assurer le maintien o de la languette contre la paroi de la chambre une fois le sertissage réalisé. Le diamètre réel de l'orifice d'alimentation (trou de dilution ou trou primaire) est repris par la collerette dont les bords extemes (coté foyer) sont arrondis pour ne pas jouer de rôle d'accroche flamme. Les bases 62, 64, fonnant des premières extrémités des languettes, reliées s entre elles par la couronne 66a, 66b sont quant à elles de préférence prises entre des brides existantes de liaison des deux parties amont et aval des enveloppes annulaires intenne 14a, 14b et exteme 12a, 12b et maintenues fixement par les moyens de fixation 52, 68 qui de préférence sont de type boulon. Dans une variante illustrée à la figure 2, les languettes 60 de fixation à o l'enveloppe annulaire inteme 14b qui se présentent sous la fonne d'une mince lane métallique (de largeur constante ou non) compotent une première extrémité soudée sur une couronne métallique 75 non plus senrce entre brides mais fixée 7 2825784 directemellt sur la partie aval 14b de l'enveloppe amulaire inteme par des moyclls de fxation 77, par exemple de type boulon. Avantageusel11el1t, pour en faciliter le mol1tage les secolldes extrémités de ces languettes SOl1t constituces par ul1e pièce métallique 79. L'étallchéité de la veil1e de gaz entre la challlbre de combustioll 24 et le distributeur 42 est assurce par Ull jOil1t circulaire " à lamelles " 80, 82 mollté dalls une rainure 84, 86 de chacure des plates-formes exteme 46 et illteme 48 du distributeur et qui vient s'appuyer directement une extrémité aval 88, 90 de la chambre de combustion fomlant un plall d'appui pour ce joint circulaire 0 d'étanclléité. Le jOil1t est mail1tel1u er appui contre l'extrémité de la chambre au moyel1 d'ur élément élastique, de type ressort circulaire à lames 92, 94, fixé sur le distributeur. Dans une variante 11O11 représelJtée, ce jOil1t peut s'appuyer 11O11 plus directement sur l'extrémité aval de la chambre de combustioll mais sur une virole en matériau composite rapportée sur cette extrémité aval, classiquemellt par ]s brasage ou moil1s classiquemelt par une tecl1lique d'implantatioll connue sous le seul a1glicisme de Qual1t à l'étanchéité des flux d'écoulemellt de gaz entre la chambre de combustioll et la turbine, il est réalisé d'ulle part par un joint circulaire d'étanchéité de type "oméga" 96 monté dans une rainure circulaire 98 d'une bride de l'enveloppe amlulaire intel1e 14 en col1tact direct avec la plate-fonne circulaire inten1e 48 du distributeur et d'autre part par un autre joint circulaire béquet circulaire 104 de la partie aval 12b de l'ellveloppe amlulaire exten1e. 2s Dans Ull secolld mode de réalisation de l'illvention, illustré à la figure 3, les secondes extrémités des lallguettes 70, 72 sont fixées respectivemel1t sur les parois axiales exten1e 26 et intell1e 28 de la chambre de combustion par l'intermédiaire d'inserts fonnés de deux parties col1cel1triques fxées (avantageusement par brasage ou soudage) l'une sur l'autre, d'une part une o collerette 74a, 76a appuyée sur la paroi coté foyer et d'autre palt une bague 74b, 76b qui el1toure la collerette et plaque cette seconde extrémité de la languette fon1lant ocillet sur la paroi. Comne dans le mode de réalisatiol précédent, le B diamètre réel du trou de dilution ou du trou primaire est repris par la collerette dont les bords externes sont arrondis pour ne pas jouer de rôle d'accroche flanme. Avantageusement, la languette 58 peut comporter une ouveture 58a pratiquée près de la seconde extrémité 70 de la languette au droit de l'orifice d'injection 41a pour en faciliter 1'alimentation après son nontage. En outre, dans l'exemple illustré, les premières extrémités de cette languette ne sont plus soudées sur une couronne montée entre brides (comme le montre la figure 1) mais brasces au niveau d'un détrompeur 106 solidaire de l'enveloppe annulaire externe 12. Dans toutes les configurations précitées, la souplesse des languettes de io fixation pennet de supporter l'écart de dilatation thermique apparaissant aux températures élevées entre la cllambre de combustion en matériau composite et les enveloppes annulaires métalliques tout en assurant le maintien et le positionnement de la cllambre. En outre, I'utilisation des orifices d'alimentation en conburant comme points d'ancrage de ces languettes en facilite le montage s tout en minimisant 1'encombrement général. REVENDICATIONS 1. Turbomachine compotant, dans des enveloppes annulaires inteme et exteme en matériau nétallique (12, 14) et selon un sens F d'écoulement des s gaz, un ensemble d'injection d'un carburant (20; 22), une chambre de combustion annulaire en matériau composite (24) ayant un axe longitudinal (10) et une pluralité d'orifices d'alimentation en conburant (41a, 41b), et un distributeur annulaire en matériau métallique (42) fonnant 1'étage d'entrée à aubes fixes (44) d'une turbine 1laute pression, caractérisée en ce que ladite chambre de combustion o en matériau composite est maintenue en position entre lesdites enveloppes annulaires inteme et exteme métalliques par une pluralité de languettes métalliques souples (58, 60), des premières extrémités (62, 64) desdites languettes étant reliées entre elles par une couronne métallique (66a, 66b) fixée solidairement à chacune desdites enveloppes annulaires métalliques intenne et exteme (12, 14) s par des premiers moyens de fixation (52; 68, 77) et des secondes extrémités (70, 72) étant fixées solidairement à ladite cllambre de combustion en matériau composite (26, 28) au niveau d' au moins une partie desdits orifices d'alimentation en comburant par des seconds moyens de fixation (74,76; 74a,74b,76a,76b), la souplesse desdites languettes de fixation pennettant à des températures élevées o des libres déplacements radiaux et axiaux entre ladite chambre de combustion en matériau composite et lesdites enveloppes annulaires métalliques inteme et exteme. 2. Turbomaclline selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits orifices d'alimentation en comburant sont constitués par des trous d'alimentation en air d'une zone primaire et/ou d'une zone de dilution de ladite cllambre de combustion. 3. Turbomaclline selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites premières extrémités des languettes sont relices par brasage ou soudage à ladite couronne métallique. o 4. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites premières extrémités des languettes fonnent une pièce unique avec ladite couronne métallique. o 2825784 , 5. Turbomaclline selol la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits premiers noyens de fixation sont constitués par une pluralité de boulons. 6. Turbonaclline selon la revendication 1, caractérisée en ce que, chacune desdites enveloppes annulaires étant fonnée en deux parties (12a, 12b; s 14a, 14b), ladite couronne métallique est nontée entre des brides de liaison de ces deux parties. 7. Turbomaclline selol la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits seconds moyens de fixation comportent clacun une collerette (74, 76) insérée dans cllaque orifice d'alinJentation en comburant (41a, 41b) de ladite o chambre de combustion et sertie sur les secondes extrémités des languettes (70, 72) pour assurer le maintien de ces languettes (58, 60) contre la cllanbre une fois le sertissage réalisé. 8. Turbonachine selon la revendication 1, caractérisce en ce que lesdits seconds noyens de fixation conportent une pluralité d'inserts fonnés is cllacun de deux parties concentriques fixées l'une sur l'autre, d'une part une collerette (74a, 76a) appuyée sur une paroi axiale (26, 28) de la cllanbre de conbustion et d'autre part une bague (74b, 76b) qui entoure ladite collerette et plaque les secondes extrénités des languettes (70, 72) contre ladite paroi axiale. 9. Turbonaclline selon la revendication l, caractérisée en ce que o lesdites languettes conportent une ouverture (58a) pratiquce près de leurs dites secondes extrénités pour anéliorer l'alinentation desdits orifices d'alinentation en conburant. l O. Turbonaclline selon la revendication 1, caractérisce en ce que l'étanclléité de la veine de gaz entre ladite chanbre de conbustion (24) et ledit s distributeur (42) est assurce par un joint circulaire " à lanelles " (80, 82) qui s'appuie directenent sur une extrénité aval (88, 90) de ladite cllanbre de conbustion fonnant un plan d'appui pour ce joint circulaire d'étanclléité. 11. Turbonaclline selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'étanclléité de la veine de gaz entre ladite cllanbre de conbustion (24) et ledit distributeur (42) est assurée par un joint circulaire " à lan1elles " (80, 82) qui s'appuie sur une virole en natériau congosite rapportée sur cette extrénité aval