Brevet FR2825783A1 — publié le 20021213

élément élastique est constitué par un ressort circulaire à lanes. 1 2825783 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'une chambre de combustion en matériau composite de type CMC s (composite à matrice céramique) dans les carters métalliques de chambre d'une turbomachine. Art antérieur Classiquement, dans un turboréacteur ou un turbopropulseur, la turbine o haute pression, notamment son distributeur d'entrée (HPT nozzle), la chambre de combustion ainsi que les enveloppes (ou carters) interne et exten1e de cette chambre sont réalisces dans un même matériau, généralement métallique. Cependant, dans certaines conditions particulières d'utilisation mettant en _uvre des températures de combustion notablement élevées, I'emploi d'une chambre 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 combustion elle même, le distributeur d'entrée de la turbine haute pression et les enveloppes o inteme et externe de la chambre restant alors réalisées plus classiquement en des matériaux métalliques. Or, les matériaux métalliques et les matériaux composites ont des coefficients de dilatation themlique très différents. Il en résulte des problèmes particulièrement aigus de liaison avec les enveloppes inteme et exteme de la chambre de combustion et d'interface au niveau du distributeur, en entrée de s 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 profite au mieux des caractéristiques existantes de la chambre de combustion. Ces buts sont atteints par une turbomachine comportant, dans des enveloppes annulaires interne et exteme 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 natériau composite ayant un axe longitudinal, et un distributeur annulaire en matériau métallique fonnant 1'étage d'entrce à aubes fixes d ' une turb in e 1laute press ion, caractérisée en ce que ladite chambre de combustion en matériau composite est mailltenue en position entre lesdites enveloppes annulaires métalliques inteme et externe par une pluralité de languettes souples, des premières extrémités desdites languettes étant reliées entre o elles par une couronne métallique fixée solidairement à chacune desdites enveloppes annulaires métalliques inteme et exteme par des premiers moyens de fixation et des secondes extrénités étant fixées par des seconds moyens de fixation à une couronne en matériau composite fixée solidairement à ladite challlbre de combustion en matériau composite, la souplesse desdites languettes de fixation pelmettant à des températures élevées une libre dilatation radiale de ladite chambre de combustion en matériau composite par rapport auxdites enveloppes annulaires métalliques. Avec cette structure particulière de liaison fixe, les différentes usures dues aux corrosions de contact des systèmes de l'art antérieur peuvent étre évitées. o L'utilisation d'une couronne en matériau composite pour réaliser l'étanchéité de la veine permet de plus de garder intacte la structure initiale de la chambre. En outre, la présence des languettes métalliques souples en lieu et place des brides traditionnelles pennet un gain en masse particul ièrement appréci ab le. C es languettes, de part leur souplesse, permettent de supporter facilement l'écart de s dilatation apparaissant aux températures élevées entre pièces métalliques et composites (en reprenant les déplacements dus à la dilatation) tout en assurant U11 parfait maintien et un bon centrage de la chambre de combustioll dans 1'enveloppe annulaire. Les premiers et seconds moyens de fixation sont constitués de préférence par une pluralité de boulons. Selon un mode de réalisation avantageux dans lequel chacune desdites enveloppes annulaires métalliques est formée en deux parties, ladite couronne 3 2825783 ,. C métallique reliant entre elles lesdites premières extré1nités desdites languettes de fixation métalliques est mo1ltée entre des brides de liaison de ces deux parties. Dans un mode de réalisation altematif, ladite courol1le métallique peut être fixce directement à ladite enveloppe an1lulaire par des moye1ls de fixation. Selon le mode de réalisation envisagé, lesdites premières extrémités des languettes de fixation peuvent soit être fixées par brasage à ladite courolme métallique soit fomler une pièce unique avec cette couro1me métallique. Selon un mode de réalisation préférentiel ladite couro1me composite est brasée sur une extrémité aval de la chambre de combustion. Dans un mode de o réalisation altematif, cette courollne composite est cousue sur cette extrémité aval. DallS Ull autre -mode de réalisation, cette couron1le composite est implantée sur cette extré1llité aval. Ladite couronne composite compo1te wle partie détenninée fonnant un pla1l d'appui pour un joint d'étanchéité (avalltageusement du type joint circulaire " à lamelles ") assura1lt l'étanchéité de la veine de gaz entre ladite chambre de combustio1l et ledit distributeur. De préférence, ladite partie détenninée est une partie d'extrémité de ladite couronne composite. 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 dessi1ls a1mexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'une zone centrale d'une turbomachine dans Ull prerlier mode de réalisation de l'inventioll, - la figure 2 est une vue agraldie d'une partie de la figure 1 dans ule configuration de liaiso1l altemative, et - la figure 3 est une vue agrandie cl'ule autre paltie de la figure 1 dalls ulle configuration de liaison alte1native. Description détaillée d'un mode de réalisation prétére1ltiel La figure 1 montre en demi-coupe axiale une partie centrale d'un turboréacteur ou d'un turbopropulseur (appelé turbomachine dans la suite de la description) comprenant: une enveloppe annulaire externe (ou carter exteme) en deux paties 12a, 12b en s matériau nétallique, d'axe longitudinal IO, une enveloppe annulaire interne (ou carter inteme) coaxiale en deux parties 14a, 14b également en n1atériau métallique, un espace annulaire 16 congris entre les deux enveloppes 12a, 12b et 14a, 14b recevant le comburant comprimé, généralement de l'air, provenant en amont d'un o compresseur (non représenté) de la turbomaclline, au travers d'un conduit annulaire de diffusion 18 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 fomé d'une pluralité de systèmes d' injection 20 régulièrement répartis autour du conduit 18 et comportant cllacun une buse d'injection de carburant 22 fixée sur une patie amont 12a de 1'enveloppe annulaire eXteme (dans un souci de simplification des dessins le mélangeur et le déflecteur associés à cllaque buse d'injection n'ont pas été représentés), ensuite une cllanlbre de combustion 24 en matériau composite haute température, par exemple de type CMC ou autres (carbone par exemple), fonnée d'une paroi axiale o exteme 26 et d'une paroi axiale inteme 28, toutes deux coaxiales d'axe 10, et d'une paroi transversale 30 qui constitue le fond de cette cllambre de combustion et qui comporte des rabats 32, 34 fixés par tous moyens adaptés, par exemple par des boulons métalliques ou réfractaires à vis à tête conique, sur des extrémités amont 36, 38 des parois axiales 96, 28, ce fond de cllambre 30 étant pourvu s d 'orifices de passage 40 pour pemlettre 1' injection du carburant et d'une patie du comburant dans la cllambre de combustion 24, et enfin un distributeur annulaire 42 en matériau métallique formant un étage d'entrée d'une turUine 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 preniers moyens de fixation amovibles 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 turbomachine. Des orifices de passage 54, 56 ménagés dans les plates-formes nétalliques exteme 46 et inteme 48 du distributeur 42 sont en outre prévus pour assurer un s refroidissement des aubes fixes 44 de ce distributeur en entrée du rotor de la turUine haute pression à partir du comburant comprimé disponible en sortie du conduit de diffusion 18 et s'écoulant en deux flux F1, F2 de part et d'autre de la chambre de combustion 24. Selon l'invention, la chambre de combustion 24, qui a un coefficient de o dilatation thennique très différent des autres pièces nétalliques fonnant la turbomachine, 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 1'enveloppe annulaire exteme 12a, 12b et la paroi axiale extene 26 de la chambre de combustion et pour une seconde partie (comme la languette 60) entre l'enveloppe annulaire interne 14a, 14b et la paroi axiale interne 28 de la chambre de combustion. Chaque languette de fixation souple en matériau métallique qui peut o présenter une fonne sensiblement triangulaire comme l'illustre la figure IA, ou être constituée d'une simple lame (de largeur constante ou non), est soudée ou brasée par une première extrémité 62; 64 à une couronne métallique 66a, 66b fixée solidairement par des premiers moyens de fixation 52; 68 à 1'une ou 1'autre (selon son enplacement) des enveloppes annulaires métalliques exteme 12 ou s inteme 14 et destinée à faciliter à la fois le maintien de ces languettes et l'étanclléité vis à vis de l'espace annulaire 16. Dans un mode de réalisation préférentiel, ces languettes et la couronne métallique fonnent ensemble une pièce métallique unique d'un seul tenant. A une seconde extrémité 70;72, cette languette est fixée solidairement par des seconds moyens de fixation 74, 76 à une couronne composite céramique 78a; 78b brasée sur une extrémité aval 88; 90 des parois axiales exteme 26 et inteme 28 de la chambre de combustion en matériau composite céramique. Cette brasure peut être remplacée ou bien renforcée par une -; "- 6 2825783 -. couture. La liaison entre les parois de chambre et les courom1es peut aussi être réalisce entièrel11el1t par implalltatioll (liaison de type connue sous l'anglicisllle celui des buses d'injectioll ou égal à un multiple de ce nolllbre. La figure I illustre un premier mode de réalisation de l'invention dans lequel les secondes extrémités des]anguettes 70, 72 sont fixées respectivement sur les couronnes composites céramiques externe 78a et interne 78b par un simple boulonnage (mais Ull seltissage conme illustré sur la vue partielle de la figure 1B serait aussi envisageable). La couronne métallique 66a, 66b reliant entre elles les o premières extrémités 62, 64 des languettes est quant à elle de prétérence prise entre des brides de liaison existantes entre les parties amont et aval des enveloppes an1lulaires inten1e 14 et exten1e 12 et maintenues fixement par les premiers moyens de fixation 52, 68 qui de prétérence sont aussi de type boulon. On notera la présence de rondelles en 1natériau composite céramique 74a; 76a pour pennettre de " noyer " les têtes coniques des vis des boulons fonnant les seconds moyens de fixation 74; 76. Dans une variante illustrce à la figure 2, la couronne métallique 66a reliant entre elles par soudage (ou brasage) les premières extrémités 62 des languettes de fixation 58 de la paroi axialc exten1e de la chambre de combustion 26 n'est plus montée entre brides n1ais elle même soudées (ou brasées) au niveau d'un détrompeur 106 solidaire de l'enveloppe annulaire exten1e 12. Dans une autre variante illustrée à la figure 3, la couronne métallique 66b reliant entre elles par soudage (ou brasage) les premières extrémités 64 des languettes de fixation 60 de la paroi axiale inten1e de la challlbre de combustion 28 n'est plus montée entre brides mais simplement fixée directement à l'enveloppe annulaire inten1e 14 par des n1oyens de fixation 108, par exemple de type boulon. L'étanchéité de la veine de gaz entre la chambre de combustion 24 et le distributeur 42 est assurce par un joint circulaire " à lamelles " 80, 82 mollté dans une rainure 84, 86 de cl1acune des plates-fonnes exten1e 46 et inten1e 48 du distributeur et qui vient s'appuyer directement sur une partie de la couronne composite céramique 78a; 78b fomlallt un plan d'appui pour ce joint circulaire _ d'étanchéité. Cette partie peut être une partie d'extrénité de la couronne. Le joint est maintenu en appui contre cette partie d'extrémité de la couronne composite ou toute autre partie au moyen d'un élément élastique, de type ressort circulaire à lames 92, 94, fixé sur le distributeur. Par cette disposition, il est assuré une s parfaite étanchéité de la veine chaude entre la chambre de combustion 24 et le distributeur 42. Quant à l'étanchéité des flux d'écoulement de gaz entre la chambre de combustion et la turbine, il est réalisé d'une part par un joint circulaire d'étanchéité de type "oméga " 96 monté dans une rainure circulaire 98 d'une 0 bride de l'enveloppe annulaire intene 14 en contact direct avec la plate-forme circulaire inte1le 48 du distributeur et d'autre part par un autre joint circulaire " à lamelles " 100 monté dans une gorge circulaire 102 de la plate-fonne circulaire exte1le du distributeur 46 et dont une extrémité est en contact direct avec un béquet circulaire 104 de la partie aval 12b de 1'enveloppe annulaire externe. Dans toutes les configurations précitées, la souplesse des languettes de fxation permet de supporter 1'écart de dilatation thermique apparaissant aux températures élevées entre la chambre de combustion en matériau composite et les enveloppes annulaires métalliques tout en assurant le maintien et le positionnement de la chambre. o RE VEND IC ATI ON S 1. Turbomachine comportant, dans des enveloppes annulaires inteme et exteme en matériau métallique (12, 14) et selon un sens F d'écoulement des gaz, un ensemble d'injection d'un carburant (20, 22), une cllambre de combustion annulaire en matériau composite (24) ayant un axe longitudinal (10), et un distributeur annulaire en matériau métallique (42) fonnant 1'étage d'entrce à aubes fixes (44) d ' une turbine haute press ion, caractérisce en ce que ladite chambre de combustion en matériau composite est maintenue en position entre lesdites 0 enveloppes annulaires métalliques inteme et extenne par une pluralité de languettes métalliques souples (58, 60), des premières extrémités (62, 64) desdites languettes étant relices entre elles par une couronne métallique (66a, 66b) fixce solidairement à chacune desdites enveloppes annulaires métalliques inteme et exteme (12, 14) par des premiers moyens de fixation (52; 68, 108) et des secondes extrémités (70, 72) étant fixées par des seconds moyens de fixation (74, 76) sur une couronne en matériau composite (78a, 78b) fixce solidairement à ladite chambre de combustion en matériau composite (26, 28), la souplesse desdites languettes de fixation métalliques pennettant à des températures élevées une libre dilatation radiale de ladite chambre de combustion en matériau o composite par rapport auxdites enveloppes annulaires métalliques. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits premiers et seconds moyens de fixation sont constitués par une pluralité de boulons. 3. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisee en ce que, chacune desdites enveloppes annulaires métalliques étant fonnées en deux parties (12a, 12b; 14a, 14b), ladite couronne métallique reliant entre elles lesdites premières extrémités desdites languettes de fixation métalliques est montée entre des brides de liaison de ces deux parties. 4. Turbomaclline selon la revendication 1? caractérisée en ce que o ladite couronne métallique reliant entre elles lesdites premières extrémités desdites languettes de fixation métalliques est fixée directement à ladite enveloppe annulaire par des moyens de fixation (108). -) 9 2825783 5. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites premières extrénités des languettes de fixation métalliques sont fixées par brasage ou soudage à ladite couronne métallique. 6. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites premières extrémités des languettes de fixation métalliques fon1lent une pièce unique avec ladite couronne métallique. 7. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisce en ce que ladite couronne composite est brasée sur une extrén1ité aval (88, 90) de la chambre de combustion. ] o 8. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisce en ce que ladite couronne composite est cousue sur une extrémité aval (88, 90) de la cl1ambre de combustion. 9. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisce en ce que ladite couronne composite est implantée sur une extrémité aval (88, 90) de la ]5 cl1ambre de combustion. 10. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite couronne composite comporte une partie déten1linée fon1lant un plan d' appui pour un joint d' étanchéité (80, 82) assurant l' étancl1éité de la veine de gaz entre ladite chambre de combustion et ledit distributeur. 11. Turbomacl1ine selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite patie détennince est une partie d'extrémité de ladite couronne composite. 12. Turbomaclline selon la revendication 10, caractérisée en ce que ledit joint d'étanchéité est du t,vpe joint circulaire " à lamelles >> (80, 82).