Brevet FR2825779A1 — 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 d'un fond métallique de chambre de combustion d'une turbomachine sur s les parois en matériau composite de type CMC (composite à matrice céramique) de cette chambre. Art antérieur Classiquement, dans un turboréacteur ou un turbopropulseur, la turbine o haute pression, notamment son distributeur d'entrée (HPT nozzle), le système d' inj ection, 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 _uvre des températures de combustion notablement élevées, I'emploi d'une chambre entièrement s 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 _uvre et le coût de ces matériaux font que leur utilisation est le plus souvent limitée à la chambre de combustion elle même et plus particulièrement à ses seules parois axiales, le distributeur d'entrée o de la turbine haute pression, le système d'injection et l'enveloppe annulaire restant alors réal isées plus class iquement en des matériaux métalliques. Or, l es matéri aux métalliques et les matériaux composites ont des coefficients de dilatation thermique très différents. I1 en résulte des problèmes particulièrement aigus notamment au niveau de la liaison entre les parois en matériau composite de la s chambre de combustion et le fond de chambre métallique. Objet et définition de l'invention La présente invention pallie ces inconvénients en proposant un moltage de fond de chambre nétallique ayant la capacité d'absorber les déplacements induits o par les différences des coefficients de dilatation entre ce fond métallique et les parois en conposite de la cllambre de combustion. 2 2825779 Ces buts sont atteints par une chambre de combustion annulaire comportant des parois axiales externe et interne en natériau composite et un fond de chambre en matériau métallique, caractérisée en ce que pour permettre une libre dilatation radiale dudit fond de chambre par rapport auxdites parois axiales, ledit fond de chambre est maintenu en position entre lesdites parois axiales par une pluralité de languettes souples fixée d'une part auxdites parois axiales par des moyens de fixation et d'autre part audit fond de chanbre par brasure ou soudure, ledit fond de chambre comportant en outre des moyens pour assurer l'étanchéité entre ledit fond de chambre et lesdites parois axiales. o Avec ce système de fixation à base de languettes souples, les dilatations du fond de chambre métallique sont absorbées sans détériorer les parois en matériau composite. En effet, les languettes peuvent reprendre les efforts dus à la fote dilatation du fond de chambre sans solliciter ces parois qui au contraire se dilatent peu. Les languettes souples de fxation sont en un matériau métallique et les moyens de fixation sont constitués par une pluralité de boulons, de préférence à . écrou prlsonmer. Selon un mode de réalisation, les moyens d'étanchéité comportent un joint circulaire de type " à lamelles " monté dans une gorge circulaire dudit fond de o chambre métallique et destiné à assurer un appui sur ladite paroi axiale de la cllambre de combustion en regard. De prétérence, le joint circulaire d'étanchéité est 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. Selon un mode de réalisation alternatif, les moyens d'étanclléité comportent un segment circulaire monté contre ladite paroi axiale et destiné à coopérer avec une gorge circulaire dudit fond de chambre métallique. De préférence, ce segment circulaire d'étanchéité est fendu. Selon un mode de réalisation avantageux, les languettes souples de fixation comportent une première extrémité fixée à 1'une ou 1'autre desdites parois axiales par lesdits moyens de fxation et une seconde extrémité fixée par brasure ou soudure audit fond de chambre. Dans ce cas, le fond de chambre peut comporter 3 2825779 en outre une couronne métallique sur laquelle sont brasées ou soudées lesdites secondes extrémités desdites languettes souples de fixation. Selon un autre mode de réalisation, les languettes souples de fixation comportent une première extrémité fixce à l'une desdites parois axiales par des s premiers moyens de liaison une seconde extrémité fixée à 1'autre desdites parois axiales par des seconds moyens de liaison et une partie centrale fixée au fond de chambre par brasure ou soudure. Avantageusement, ces languettes souples de fixation sont disposées entre chacune des buses d'injection. o 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 turbomaclline incoporant un premier exemple de réalisation d'un assemblage selon l'invention, - la figure I a montre un détail de l'assemblage de la figure I, - la figure 2 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'une patie d'injection d'une turbomaclline incorporant une première variante du premier exemple de o réalisation d'un assemblage selon l'invention, - la figure 3 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'une partie d'injection d'une turbomachine incorporant une seconde variante du premier exemple d'assemblage selon l'invention, - la figure 4 est une partielle en bout illustrant la disposition altemée des buses s d'injection et des languettes de fixation, - la figure 5 est une vue scllématique en demi-coupe axiale d'une partie d'injection d'une turbomachine incoporant un second exemple de réalisation d'un assemblage selon l'invention, - la figure 5a montre un détail de 1'assemblage de la figure 5, o - la figure 6 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'une partie d'injection d'une turbomaclline incorporant une première variante du second exemple d' assemblage selon l ' invention, et 4 2825779 - la figure 7 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'une partie d'injection d'une turbonaclline incorporant une seconde variante du second exemple d'assenblage selon l'invention. s 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 exteme) 12, d'axe longitudinal 10, une enveloppe annulaire interne (ou carter interne) coaxiale 14, o. 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 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) definissant un flux général F d'écoulement des gaz, cet espace 16 compotant, 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 chacun une buse d'injection de carburant 22 fixée sur l'enveloppe annulaire exteme 12 (dans un souci de simplification des dessins les mélangeur et déflecteur associés à chaque o buse d'injection ont été omis), ensuite une chambre de combustion annulaire 24, fonnee d'une paroi axiale exteme 26 et d'une paroi axiale inteme 28, toutes deux coaxiales d'axe 10 et réalisées en un matériau composite haute tenpérature, de type CMC ou autres (carbone par exemple), et d'une paroi transversale 30 réalisée en un matériau métallique, fonnant fond de chambre, et pourvue d'ouvetures 32 s pour la fixation du système d'injection, et enfin un distributeur annulaire (non représenté) fonnant un étage d'entrée d'une turbine haute pression. Dans la réalisation illustrée, on notera la présence de la casquette inteme 33 prolongeant vers l'amont (par rapport au flux F) la paroi inteme 28 de la chambre de combustion. Une casquette exteme 34 peut par contre être directement intégrée à la paroi exteme 26 de cette chambre de combustion. Selon l'invention, le fond métallique 30 de la chambre de combustion qui a un coefficient de dilatation tllernique très différent de celui des parois axiales s 2825779 externe 26 et intene 28 en matériau composite de la chambre de combustion, est maintenu fixement en position entre ces parois axiales par une pluralité de languettes souples 36, 38 régulièrement réparties entre les buses d' injection de carburant 22 (voir par exemple la figure 4). Ces languettes de fixation sont s montées pour une première série d'entre elles (voir la languette référencée 36) entre le fond métallique 30 et la paroi axiale exteme 26 et pour une seconde série d'entre elles (voir la languette rétérencée 38) entre le fond métallique 30 et la paroi axiale intenne 28. Chaque languette de fixation souple est réalisée en un matériau métallique et est constituce de préférence d'une mince lame, de largeur 0 constante ou non, ayant un point d'attache à chacune de ses deux extrémités. Selon un premier exemple de réalisation illustré à la figure I (voir aussi le détail de la figure IA)? Ia première extrémité 42; 44 de la languette de fixation est fixée solidairement et selon son emplacement à l'une ou l'autre des parois axiales exteme 26 ou inteme 08 de la chambre de combustion par des premiers moyens de fixation 46; 48 et la seconde extrénité 50; 52 est fixée de préférence par soudure ou brasure à une couronne métallique 54; 56, elle-même brasée ou soudée sur le fond de chambre métallique 30 de la chambre de combustion. Cet accrochage pemet d'absorber les dilatations du fond de chambre sans détériorer les parois ax i al es en composite qui se déplacent peu radialement. o Les premiers moyens de fixation disposés en position décalée par rappot aux buses d'injection sont avantageusement de type boulons. Et, pour en faciliter l'accès ainsi que le montage/démontage, ces boulons sont choisis de prétérence du type à écrou prisonnier. L'étanclléité entre la paroi axiale extene ou inteme et la couronne s métallique est assurée par un joint circulaire de type " à lamelles >> 58; 60 monté dans une gorge circulaire 62; 64 de la couronne métallique. Ce joint d'étanchéité avantageusement sectorisé comporte dans sa partie amont un béquet 66; 68 destiné à assurer un appui torique sur la paroi axiale en regard 26; 28 de la chanbre de combustion. Le joint est plaqué contre la paroi par un élément élastique 70; 72, de préférence un ressort à lames, et maintenu en position par une pluralité de pions 74; 76 solidaires de la couronne. On notera que le jeu existant entre le bord périphérique exteme 78 du fond de chambre (et le bord 6 2825779 correspondant de la couronne métallique) est calculé de façon à ce que, en fonctionnement, la couronne métallique ne vienne pas comprimer la paroi axiale extene 26 en matériau composite ou simplement ne vienne à son contact. De même, on notera que le joint 60 assurant 1'étanchéité avec la paroi axiale interne s 28 est précontraint, la dilatation à chaud du fond de chambre ayant pour effet de décoller ce fond de la paroi interne. La figure 2 illustre une prenière variante de réalisation de 1'accrochage du fond de chambre métallique sur les parois axiales en matériau composite de la chambre de combustion, dans laquelle ce fond de chambre et les couronnes o métalliques de support des languettes de fixation ne forment qu'une seule pièce 80 sur laquelle seront brasées ou soudées directement les secondes extrémités des languettes 50; 52. Cette pièce unique intègre bien entendu les noyens d'étanclléité précédents. Une seconde variante est illustrce aux figures 3 et 4 dans lesquelles il n'existe plus qu'une seule série de languettes 82 dont une première extrémité 84 est fixée à la paroi axiale externe 26 par des premiers moyens de liaison 86 et une seconde extrémité 88 est fixée à la paroi axiale interne 28 par des seconds moyens de liaison 90. Ces premiers et seconds moyens de liaison sont avantageusement de type boulons. La languette est en outre brasce (ou soudée) sur le fond de chambre o qui peut par exemple étre fo'né par la pièce unique 80 de la variante précitée. Cette brasure est bien entendue effectuee au niveau des espaces interinjecteurs entre les ouvertures 32. La figure 5 illustre un second exemple de réalisation (voir aussi le détail de la figure Sa) dans lequel l'étanclléité entre la paroi axiale externe 26 ou interne 28 et le fond de chambre 30 n'est plus assurée par un joint circulaire de type " à lamelles " mais par un segment circulaire fendu (ouvert) 92; 94 monté serré contre la paroi axiale, muni d'un système couvrejoint et destiné à coopérer avec une gorge circulaire 96; 98 de la couronne métallique 54, 56. Ie jeu au fond de la gorge 96 de logement du segment externe 92 est calculé de façon à ce que, en o fonctionnement, la couronne métallique ne vienne en contact ni avec la paroi axiale externe 26 en matériau composite, ni avec la face interne 92a du segment 7 2825779 92. De même, le segment 94 de la paroi inteme est précontraillt, la dilatation à chaud du fond de chambre ayant pour effet de décoller ce fond de la paroi intene. Pour le reste, et comme dans le premier exemple de réalisation, la première extrémité 42; 44 de la languette de fixation 36; 38 est fixée solidairement et s selon son emplacement à 1'une ou 1'autre des parois axiales exteme 26 ou inteme 28 de la chambre de combustion par les premiers moyens de fixation 46; 48 et la seconde extrémité 50; 52 est fixce de préférence par brasure ou soudure à la couronne métallique 54; 56, elle-même brasée ou soudée sur le fond de chambre métallique 30 de la chambre de combustion. o La figure 6 illustre une première variante de réalisation du montage précité dans lequel le fond de chambre et les couronnes métalliques de suppot des languettes de fixation ne forment plus qu'une seule pièce 100 sur laquelle seront brasées ou soudées directement les secondes extrémités de ces languettes 50; 52. Cette pièce unique intègre bien entendu les moyens d'étanchéité à segments précédents. Une seconde variante est illustrée à la figure 7 dans laquelle il n'existe plus qu'une seule série de languettes 102 dont une première extrémité 104 est fixée à la paroi axiale extene 26 par des premiers moyens de liaison 106 et une seconde extrémité 108 est fixée à la paroi axiale inteme 28 par des seconds moyens de o liaison 110. Ces premiers et seconds moyens de fixation SOIIt avantageusement de type boulons. La languette est en outre brasée (ou soudée) sur le fond de chambre qui peut, par exemple, étre formé par la pièce unique 100 de la variante précitée. Cette brasure est bien entendue effectuee au niveau des espaces interinjecteurs entre les ouvertures 32. s 8 2825779 REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion annulaire comportant des parois axiales exteme (26) et inteme (28) en matériau composite (24) et un fond de chambre (30, 80, 100) en matériau métallique (42), caractérisée en ce que pour permettre une libre dilatation radiale dudit fond de chambre par rapport auxdites parois axiales, ledit fond de chambre est maintenu en position entre lesdites parois axiales exteme et inteme par une pluralité de languettes souples (36, 38; 82; 102) fixée dune part auxdites parois axiales par des moyens de fixation (46, 48; 86, 90; 0 106? 110) et d'autre part audit fond de chambre par brasure ou soudure, ledit fond de chambre comportant en outre des moyens (58, 60; 92, 94) pour assurer l'étanchéité entre ledit fond de chambre et lesdites parois axiales. 2. Chambre de conbustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites languettes souples de fixation sont en un matériau métallique. 3. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de fixation sont constitués par une pluralité de boulons, de préférence à écrou prisonnier. 4. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens d'étanchéité comportent un joint circulaire de type " à o lamelles >> (58, 60) monté dans une gorge circulaire (62, 64) dudit fond de chambre métallique et destiné à assurer un appui sur ladite paroi axiale de la cllambre de combustion en regard (26, 28). 5. Chambre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit joint circulaire d'étanclléité est sectorisé. 6. Chambre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit joint circulaire d'étanchéité est maintenu en appui contre ladite paroi axiale au moyen d'un élément élastique (70, 72) fixé sur ledit fond de chambre métallique. 7. Chambre de combustion selon la revendication 6, caractérisce en ce que ledit élément élastique est constitué par un ressort à lames. 8. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens d'étanchéité comportent un segment circulaire (92, 94) monté 9 2825779 contre ladite paroi axiale et destiné à coopérer avec une gorge circulaire (96 98) de ledit fond de chambre nétallique. 9. Chanbre de conbustion selon la revendication 8 caractérisée en ce que ledit segnent circulaire d'étanchéité est fendu. 10. Chambre de conbustion selon la revendication 1 caractérisce en ce que les languettes souples de fixation (36 38) comportent une première extrémité (42 44) fixce à 1'une ou 1'autre desdites parois axiales par lesdits noyens de fixation et une seconde extrénité (50 52) fixée par brasure ou soudure audit fond de chambre. o 11. Chambre de conbustion selon la revendication 10 caractérisée en ce que ledit fond de cllambre compote en outre une couronne métallique (54 56) sur laquelle sont brasces ou soudées lesdites secondes extrémités desdites languettes souples de fixation. 12. Chambre de conbustion selon la revendication 1 caractérisée en ce s que les languettes souples de fixation (82 102) comportent une première extrémité (84 104) fixée à 1'une desdites parois axiales par des premiers moyens de liaison (86 106) une seconde extrémité (88 108) fixee à 1'autre desdites parois axiales par des seconds moyens de liaison (90 110) et une patie centrale fixce au fond de chanbre (80 100) par brasure ou soudure. o 13. Chambre de combustion selon la revendication 12 caractérisée en ce que lesdites languettes souples de fixation sont disposées entre chacune des buses