Brevet FR2871846A1 — publié le 20051223

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le montage d'une chambre de combustion ayant une paroi en matériau composite à matrice céramique à l'intérieur d'un carter métallique, dans une turbine à gaz. Le domaine d'application de l'invention est plus particulièrement celui des turboréacteurs ou turbopropulseurs d'avions et des turbines à gaz industrielles. De façon courante, une chambre de combustion d'une turbine à gaz est réalisée en matériau métallique et est montée, ou accrochée, à l'intérieur d'un carter métallique par des pattes ou viroles de liaison métalliques. L'utilisation d'un matériau métallique pour la paroi de la chambre convient tant qu'un refroidissement efficace de cette paroi peut être assuré. Or, il existe un besoin d'augmenter les températures dans la chambre de combustion pour accroître le rendement des turbines à gaz et réduire les émissions polluantes. L'utilisation de matériaux métalliques pour les parois de la chambre de combustion peut alors devenir inadaptée, même au prix d'un refroidissement aussi effectif que possible. Il a alors été proposé de réaliser des parois de chambres de combustion en matériaux composites à matrice céramique (CMC), tels que des matériaux composites à matrice en carbure de silicium (SiC) présentant une bonne tenue aux températures élevées. Un problème qui se pose est alors celui de la liaison entre chambre de combustion en CMC et carter métallique en raison des 30 différences entre coefficients de dilatation thermique. Il a été proposé dans le document FR 2 825 783 de relier des parois annulaires interne et externe d'une chambre de combustion en CMC d'une turbine à gaz aux enveloppes métalliques interne et externe d'un carter métallique au moyen de languettes de liaison métalliques élastiquement déformables. Les languettes métalliques sont solidaires, à une extrémité, d'une virole métallique fixée à l'enveloppe métallique 2871846 2 interne ou externe et sont fixées, à une autre extrémité, à une virole en CMC brasée sur la face extérieure d'une paroi interne ou externe de la chambre de combustion. L'adaptation aux variations dimensionnelles différentielles entre chambre de combustion et carter métallique est ainsi rendue possible par les languettes de liaison souples avec liaison CMC sur CMC au niveau de la chambre et liaison métal-métal au niveau du carter. Toutefois, la liaison par brasage entre virole en CMC et paroi annulaire de chambre de combustion soulève de réelles difficultés. En effet, une liaison par brasage efficace requiert une maîtrise de l'espacement entre les surfaces à braser afin de garantir l'uniformité d'épaisseur de brasure et d'éviter des discontinuités dommageables au niveau du brasage. Or, en raison des processus de fabrication des pièces en CMC, les tolérances de dimensions de celles-ci sont plus grandes que dans le cas de pièces métalliques. Il est alors très difficile de garantir un espacement uniforme entre deux surfaces annulaires complètes à relier par brasage. Objet et résumé de l'invention L'invention a pour but de proposer une architecture de montage d'une chambre de combustion à paroi en CMC dans un carter métallique évitant le problème ci-dessus. Ce but est atteint grâce à une turbine à gaz du type ayant une chambre de combustion annulaire à parois en matériau composite à matrice céramique montée à l'intérieur d'un carter métallique par des organes de liaison fixés à la chambre par brasage et reliant la chambre à des enveloppes métalliques interne et externe du carter, turbine à gaz dans laquelle, conformément à l'invention, les organes de liaison comportent une pluralité de pattes de liaison internes et une pluralité de pattes de liaison externes qui relient la chambre de combustion aux enveloppes métalliques interne et externe, respectivement, chaque patte de liaison ayant une première partie fixée à la surface extérieure d'une paroi de la chambre de combustion par brasage, les premières parties des pattes de liaison étant espacées les unes des autres en direction circonférentielle de sorte que la liaison brasée entre la chambre et les 2871846 3 organes de liaison est réalisée sur un ensemble de zones limitées espacées les unes des autres. En limitant les dimensions de zones de brasage, il est possible de faciliter la maîtrise des espacements entre parties de surfaces à braser, donc d'éviter des irrégularités d'épaisseur de brasure. Une liaison efficace par brasage peut alors être obtenue. Avantageusement, les premières parties des pattes de liaison internes et des pattes de liaison externes sont solidaires de viroles d'extrémité continues interne et externe, respectivement, qui définissent des surfaces d'appui pour des joints d'étanchéité annulaires entre la chambre de combustion et un distributeur de turbine haute pression situé immédiatement en aval de la chambre. Avantageusement encore, les viroles d'extrémité interne et externe sont en matériau composite à matrice céramique et sont réalisées en une seule pièce avec les pattes de liaison internes et les pattes de liaison externes, respectivement. Les viroles d'extrémité interne et externe pourront être reliées par brasage aux surfaces extérieures respectivement des parois interne et externe de la chambre de combustion, le long de zones continues circonférentielles, afin de maîtriser l'étanchéité entre les viroles interne et externe et les parois interne et externe de la chambre. La liaison mécanique étant réalisée au niveau du brasage entre pattes de liaison et parois de chambre de combustion, le brasage des viroles d'extrémité sur les parois de la chambre vise seulement à maîtriser une étanchéité circonférentielle. Il peut donc être effectué sur une largeur réduite, donc est plus facilement maîtrisable, que s'il visait aussi à assurer une liaison mécanique. De façon connue, les parois interne et externe de la chambre de combustion présentent une pluralité de perforations permettant à un flux de refroidissement contournant la chambre de combustion dans les espaces entre celle-ci et le carter métallique d'entretenir un film de protection de la surface intérieure des parois de la chambre. Les zones de brasage entre pattes de liaison et parois de la chambre de combustion étant espacées les unes des autres, elles laissent entre elles des zones dans lesquelles la multiperforation des parois de la chambre n'est pas affectée. 2871846 4 Avantageusement toutefois, des perforations peuvent être formées à travers les zones brasées des organes de liaison (pattes de liaison en CMC et/ou viroles d'extrémité en CMC) et des parois de la chambre de combustion de manière à éviter que la surface intérieure des parois de la chambre présentent des zones non alimentées par des perforations. Selon un mode de réalisation, les pattes de liaison en matériau composite à matrice céramique ont chacune une deuxième partie d'extrémité fixée au carter métallique. Selon un autre mode de réalisation, les pattes de liaison en matériau composite à matrice céramique internes et externes sont reliées au carter métallique par des pièces de liaison métalliques souples internes et externes, respectivement. Dans ce cas, avantageusement, les pièces de liaison internes et externes comportent des pattes de liaison métalliques internes et externes ayant une première partie d'extrémité reliée à une deuxième partie d'extrémité d'une patte de liaison en matériau composite à matrice céramique. Les pattes de liaison métalliques internes et externes peuvent alors avoir des deuxièmes parties d'extrémité solidaires de viroles métalliques interne et externe, respectivement, fixées aux enveloppes métalliques interne et externe. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description 25 faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue partielle en demi-coupe axiale d'une turbine à gaz montrant un mode de réalisation de l'invention; - les figures 2 et 3 sont des vues partielles en perspective montant les organes de liaison chambre-carter et leur liaison brasée sur les parois de la chambre de combustion dans le mode de réalisation de la figure 1; - la figure 4 est une vue partielle en demi-coupe axiale d'une turbine à gaz montrant un autre mode de réalisation de l'invention; et - les figures 5 et 6 sont des vues partielles en perspective montrant les organes de liaison chambre-carter et leur liaison brasée sur 2871846 5 les parois de la chambre de combustion dans le mode de réalisation de la figure 4. Description détaillée de modes de réalisation La figure 1 montre en demi-coupe axiale une partie d'une turbine à gaz comprenant une chambre de combustion annulaire 10, un distributeur de turbine haute pression (HP) 20 disposé immédiatement en aval de la chambre de combustion 10, un carter métallique comprenant des enveloppes métalliques interne 30 et externe 40 et des pattes de liaison internes 50 et externes 60 maintenant la chambre 10 dans le carter métallique. Dans ce qui suit, les termes amont et aval sont utilisés avec référence à la direction d'écoulement (flèche F) du flux gazeux issu de la chambre 10. La chambre de combustion 10 est délimitée par une paroi annulaire interne 12 et une paroi annulaire externe 13 ayant même axe 11 et par une paroi de fond 14 fixée aux parois 12 et 13. De façon bien connue en soi, la paroi de fond 14 présente des ouvertures 14a réparties autour de l'axe 11 pour le logement d'injecteurs permettant l'injection de carburant et comburant dans la chambre 10. Les parois 12 et 13 de la chambre 10 sont en CMC, par exemple en matériau composite à matrice SiC, ainsi qu'éventuellement la paroi 14. Le distributeur de turbine HP 20, qui constitue l'étage d'entrée de la turbine, comporte une pluralité d'aubes fixes réparties angulairement autour de l'axe 11. Les aubes comportent des pales 21 solidaires à leurs extrémités de plate-formes internes 22 et externes 23 en forme de secteurs d'anneaux juxtaposés. Chaque paire de plates-formes correspondantes 22, 23 peut être associée à une ou plusieurs pales 21. Les faces internes des plates-formes 22, 23 définissent la veine d'écoulement dans le distributeur du flux gazeux issu de la chambre de combustion. L'enveloppe métallique interne 30 est en deux parties 31, 32 réunies par boulonnage au niveau de brides intérieures respectives 31a, 32a. De même, l'enveloppe métallique 40 externe est en deux parties 41, 42 réunies par boulonnage au niveau de brides extérieures respectives 41a, 42a. L'espace 33 entre la paroi interne 12 de la chambre 10 et l'enveloppe interne 30 et l'espace 43 entre la paroi externe 13 de la 2871846 6 chambre 10 et l'enveloppe externe 40 sont parcourus par un flux secondaire d'air de refroidissement (flèches f) contournant la chambre 10. Le montage du distributeur 20 est assuré par liaison mécanique par boulonnage 25 entre une bride radiale sectorisée 24 solidaire des platesformes internes 22 et une bride radiale 34 à l'extrémité aval de l'enveloppe interne 30. Un joint d'étanchéité annulaire 36, par exemple de type "oméga" ferme de façon étanche l'extrémité aval de l'espace 33. Le joint 36 est logé dans un logement formé dans la surface amont de la bride 34 et s'appuie sur la surface aval de la bride 24. Quant à l'espace 43, il est fermé de façon étanche à son extrémité aval par un joint d'étanchéité 46, par exemple du type à lamelles. Le joint 46 est maintenu par des goupilles 46a dans un logement annulaire 26a d'une bride annulaire sectorisée 26 solidaire des plates-formes externes 23. Le joint 46 s'appuie sur une nervure 44a formée à la face amont d'une bride radiale 44 solidaire de l'enveloppe 40. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 3, les pattes de liaison 50, 60 sont en CMC, de préférence le même matériau que celui des parois 12, 13 de la chambre 10. Chaque patte de liaison 50 a une partie d'extrémité 51 reliée par boulonnage à l'enveloppe métallique interne 30. Celle-ci porte, du côté de sa surface intérieure, des tiges filetées 37 qui traversent des trous 51a formés dans les parties d'extrémité 51 des pattes de liaison 50 et sur lesquelles sont engagés des écrous 38. De façon similaire, chaque patte de liaison 60 a une partie d'extrémité 61 reliée par boulonnage à l'enveloppe métallique externe 40. Celle-ci porte, du côté de sa surface intérieure, des tiges filetées 47 qui traversent des trous 61a formés dans les parties d'extrémité 61 des pattes de liaison 60 et sur lesquelles sont engagés des écrous 48. Les pattes de liaison 50 présentent des parties d'extrémité 52 qui sont reliées par brasage à la surface extérieure de la paroi interne 12 de la chambre 10, au voisinage de l'extrémité aval de la chambre. Les parties d'extrémité 52 des pattes de liaison 50 sont solidaires d'une virole interne 54. La virole 54 a une partie annulaire amont 54a qui est reliée par brasage à la surface extérieure de la paroi 12 de la chambre et une partie aval 54b qui se raccorde à la partie amont 54a en faisant un angle obtus avec celle-ci. A son extrémité aval, la virole 54 prend appui sur un joint 2871846 7 d'étanchéité annulaire 38, par exemple du type à lamelles. Le joint 38 est maintenu par des goupilles 38a dans un logement annulaire 28a d'une bride sectorisée 28 solidaire des plates-formes 22 au voisinage de leur extrémité amont. De façon similaire, les pattes de liaison 60 présentent des parties d'extrémité 62 qui sont reliées par brasage à la surface extérieure de la paroi externe 13 de la chambre 10, au voisinage de l'extrémité aval de la chambre. Les parties d'extrémité 62 des pattes de liaison sont solidaires d'une virole externe 64. La virole 64 a une partie annulaire amont 64a qui est reliée par brasage à la surface extérieure de la paroi 13 de la chambre. 10 et une partie aval 641) qui se raccorde à la partie amont 64a en faisant un angle obtus avec celle-ci. A son extrémité aval, la virole 64 prend appui sur un joint d'étanchéité annulaire 48 par exemple du type à lamelles. Le joint 48 est maintenu par des goupilles 48a dans un logement annulaire 29a d'une bride sectorisée 29 solidaire des platesformes 23 au voisinage de leur extrémité amont. Les pattes de liaison 50 et la virole 54 sont avantageusement réalisées en une seule pièce, de même que les pattes de liaison 60 et la virole 64. Le long de leurs parties s'étendant dans les espaces 33, 43, les pattes de liaison 50, 60 présentent une forme courbée ou pliée de manière à présenter la souplesse nécessaire pour s'adapter à des variations dimensionnelles différentielles entre les parois de la chambre en CMC et les enveloppes métalliques 30, 40. Le maintien de la chambre de combustion est assuré essentiellement par le brasage des parties d'extrémité 52 et 62 des pattes de liaison 50 et 60. Les zones de brasage 53, 63 sont limitées, en comparaison avec un brasage circonférentiel continu, de sorte qu'une maîtrise de l'espacement entre les surfaces à braser est possible sans difficultés excessives. Les liaisons brasées entre les parties 54a, 64a des viroles 54, 64 et, respectivement, les parois 12, 13 de la chambre 10 s'étendent de façon continue en direction circonférentielle. Ces liaisons brasées visent à assurer une étanchéité entre les espaces 33, 43 et l'extrémité aval de la chambre 10 afin d'éviter une injection non contrôlée de flux de refroidissement à l'interface entre la chambre 10 et le distributeur de turbine 20. De telles liaisons n'ont pas de fonction de tenue mécanique de 2871846 8 la chambre, laquelle fonction est assurée par le brasage des parties 52, 62 des pattes de liaison 50, 60. Par conséquent, les zones de liaison 55, 65 entre les viroles 54, 64 et les parois 12, 13 de la chambre 10 peuvent être de largeur limitée, permettant là aussi une maîtrise assez aisée de l'espacement entre surfaces à braser. Les liaisons brasées entre viroles 54, 64 et la chambre 10 contribuent aussi à la stabilité des pattes de liaison 50, 60 en cas de déplacement angulaire. Le brasage de pièces en CMC est bien connu en soi. Tant pour les liaisons entre les pattes de liaison 50, 60 et la chambre 10 que pour les liaisons entre les viroles 54, 64 et cette même chambre, on pourra utiliser une brasure en un matériau tel que le "BraSiC" mis au point par l'Etablissement Public français "Commissariat à l'Energie Atomique" ou le "Ticusil" de la société Wesgo Metals, en particulier lorsque les pièces brasées sont en matériau composite à matrice SiC. Les parois 12, 13 de la chambre 10 peuvent présenter des multiples perforations permettant le passage d'air de refroidissement depuis les espaces 33, 43 jusqu'aux surfaces intérieures des parois 12, 13 afin d'entretenir un film de refroidissement de long de celles-ci. Les perforations 12a, 13a sont seulement et partiellement montrées sur les figures 2 et 3. Les intervalles entre les zones brasées 53, 63 dégagent des parties de parois de la chambre où une multiperforation peut être présente, améliorant la protection thermique des parois. Si souhaitable, une multiperforation pourra aussi être pratiquée, à travers les parties brasées des parties d'extrémité 52, 62 des pattes de liaison 50, 60 et des parois de la chambre 10, et à travers les parties brasées des viroles 54, 64 et des parois de la chambre 10. Cette multiperforation pourra être réalisée après brasage, par exemple de façon classique par usinage laser. De telles perforations 12b, 12c et 13b, 13ç sont montrées partiellement et uniquement sur les figures 2 et 3. Les figures 4 à 6 montrent un mode de réalisation qui se distingue essentiellement de celui des figures 1 à 3 en ce que les pattes de liaison en CMC 50, 60 ont leurs extrémités 51, 61 reliées aux enveloppes métalliques 30, 40 non pas directement mais par l'intermédiaire de pattes métalliques déformables élastiquement, ou souples. Les éléments communs aux modes de réalisation des figures 1 à 2871846 9 3 et des figures 4 à 6 portent les mêmes références et ne seront pas à nouveau décrits. Chaque patte métallique 55 a une partie d'extrémité 56 reliée par boulonnage (57) à une extrémité 51 d'une patte 50 respective et est solidaire à son autre extrémité, d'une virole métallique annulaire 58. Cette dernière forme une bride annulaire 59 qui est reliée à l'enveloppe 30 en étant pincée entre les brides 31a, 32a. Chaque patte métallique 65 a une partie d'extrémité 66 reliée par boulonnage (67) à une extrémité 61 d'une patte 60 respective et est solidaire, à son autre extrémité, d'une virole métallique annulaire 68. Cette dernière présente des trous 68a traversés par des tiges filetées 45 qui sont solidaires de la paroi 40 et sur lesquelles sont engagés des écrous 46. Bien entendu, la virole 68 pourra être reliée à l'enveloppe 40 de la même manière que la virole 58 à l'enveloppe 30, avec une bride pincée enter les brides 41a, 42a. Inversement, la virole 58 pourra être reliée à l'enveloppe 30 par boulonnage de la même manière que la virole 68 à l'enveloppe 40. Les pattes métalliques 55 sont avantageusement réalisées en une seule pièce avec la virole 58, de même que les pattes métalliques 65 avec la virole 68. Les pattes métalliques 55, 65 permettent de suppléer une capacité éventuellement insuffisante de déformation élastique des pattes 50, 60 en CMC. Afin de présenter la souplesse ou déformation élastique nécessaire, les pattes 55, 65 sont courbées ou repliées avec un profil sensiblement en S (pattes 55) ou en V (pattes 65). REVENDICATIONS 1. Turbine à gaz ayant une chambre de combustion annulaire (10) à parois (12, 13) en matériau composite à matrice céramique montée à l'intérieur d'un carter métallique par des organes de liaison (50, 60) fixés à la chambre par brasage et reliant la chambre à des enveloppes métalliques interne (30) et externe (40) du carter, caractérisée en ce que les organes de liaison comportent une pluralité de pattes de liaison internes (50) et une pluralité de pattes de liaison externes (60) qui relient la chambre de combustion (10) aux enveloppes métalliques interne (30) et externe (40), respectivement, chaque patte de liaison ayant une première partie (52, 62) fixée à la surface extérieure d'une paroi (12, 13) de la chambre de combustion par brasage, les premières parties des pattes de liaison étant espacées les unes des autres en direction circonférentielle de sorte que la liaison brasée entre la chambre et les organes de liaison est réalisée sur un ensemble de zones limitées (53, 63) espacées les unes des autres. 2. Turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premières parties (52, 62) des pattes de liaison internes et des pattes de liaison externes sont solidaires de viroles d'extrémité continues interne (54) et externe (64), respectivement, qui définissent des surfaces d'appui pour des joints d'étanchéité annulaires (38, 48) entre la chambre de combustion (10) et un distributeur de turbine haute pression (20) situé immédiatement en aval de la chambre. 3. Turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisée en ce que les viroles d'extrémité interne (54) et externe (64) sont en matériau composite à matrice céramique et sont réalisées en une seule pièce avec les pattes de liaison internes (50) et les pattes de liaison externes (60) , respectivement. 4. Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que les viroles d'extrémité interne (54) et externe (64) sont reliées par brasage aux surfaces extérieures respectivement des parois interne (12) et externe (13) de la chambre de combustion, le long de zones continues circonférentielles (55, 65). 5. Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que des perforations d'amenée de flux de 2871846 11 refroidissement le long de la surface intérieure des parois de la chambre sont formées à travers les zones brasées des organes de liaison et des parois de la chambre. 6. Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les pattes de liaison (50, 60) en matériau composite à matrice céramique ont chacune une deuxième partie d'extrémité (51, 61) fixée au carter métallique. 7. Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les pattes de liaison (50, 60) en matériau composite à matrice céramique internes et externes sont reliées au carter métallique par des pièces de liaison métalliques souples interne et externe, respectivement. 8. Turbine à gaz selon la revendication 7, caractérisée en ce que les pièces de liaison métallique interne et externe comportent des pattes de liaison métalliques internes (55) et externes (65) ayant une première partie d'extrémité (56, 66) reliée à une deuxième partie d'extrémité (51, 61) d'une patte de liaison en matériau composite à matrice céramique. 9. Turbine à gaz selon la revendication 8, caractérisée en ce que les pattes de liaison métalliques internes (55) et externes (65) ont des deuxièmes parties d'extrémité solidaires de viroles métalliques interne (58) et externe (68), respectivement, fixées aux enveloppes métalliques interne (30) et externe (40).