Brevet FR2935465A1 — publié le 20100305

Fixation d'un déflecteur en CMC sur un fond de chambre par pinçage à l'aide d'un support métallique La présente invention concerne le domaine des moteurs à 5 turbine à gaz et en particulier celui des chambres de combustion de tels moteurs. La chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz reçoit l'air comprimé issu du compresseur à haute pression amont et fournit un gaz réchauffé par combustion dans une zone de combustion alimentée en 10 carburant. La chambre comprend ainsi une paroi de fond de chambre, située en amont, sur laquelle sont fixés les différents systèmes d'injection de carburant. La figure 1 montre une chambre de l'art antérieur. La chambre 1 annulaire est logée à l'intérieur d'un carter 2 du moteur en aval du diffuseur 3 d'air comprimé. Elle comprend une paroi 15 intérieure 4 et une paroi extérieure 5 délimitant entre elles une zone de combustion. Dans sa partie amont la chambre comprend une paroi 6 transversale de fond de chambre sur laquelle sont ménagées des ouvertures équipées chacune d'un système 7 d'alimentation en air carburé. Un tel système est alimenté en carburant depuis un injecteur de 20 carburant liquide et comprend des grilles annulaires concentriques pour créer des flux d'air tourbillonnant favorisant leur mélange avec la nappe de carburant pulvérisé. Une partie de l'air issu du diffuseur est déviée de la zone d'admission du carburant par un carénage et s'écoule le long et à 25 l'extérieur de la paroi extérieure aussi bien que le long et à l'extérieur de la paroi intérieure. La partie qui passe à l'intérieur de la zone de carburation, franchit la paroi 6 de fond de chambre, et le mélange est allumé par des bougies disposées sur la paroi annulaire extérieure. La zone de 30 combustion primaire se situe donc immédiatement en aval de la paroi du fond de chambre. Une protection, sous la forme de déflecteurs sectorisés 9, tapisse l'intérieur de la paroi du fond de chambre et a pour fonction de la protéger du rayonnement intense produit dans la zone de combustion primaire. 35 Dans l'art antérieur de l'air est introduit par des orifices pratiqués dans la paroi du fond de chambre en arrière des déflecteurs, qui sont réalisés en matériau métallique, pour assurer leur refroidissement. Cet air s'écoule le long de la face arrière des déflecteurs et est ensuite guidé pour former un film le long des parois extérieures longitudinales de la chambre. Dans la mesure où les déflecteurs de fond de chambre ne sont pas sollicités mécaniquement, n'ont pas de rôle structural et ont une seule fonction de protection thermique, et dans la recherche d'une optimisation des flux d'air, on souhaiterait pouvoir réduire le flux le long de la paroi du fond de chambre et en affecter une fraction à une autre fonction, notamment de refroidissement des parois intérieures ou extérieures. Par ailleurs, les performances des moteurs en constante amélioration conduisent à entretenir des températures de chambre de plus en plus élevées. Afin de respecter les spécifications de durée de vie de la chambre, il serait nécessaire d'intensifier le refroidissement des parois et du déflecteur de fond de chambre. La solution d'augmenter le débit de refroidissement serait, d'une part, pénalisante pour le rendement de la chambre et, d'autre part, perturberait le profil de température en entrée de la turbine haute pression. Pour résoudre ce problème il a été proposé de remplacer le déflecteur métallique connu par un déflecteur en CMC (Composite à matrice céramique). La tenue à haute température de ce matériau est bien meilleure que celle du métal. Cette solution permet de maîtriser le débit d'air de refroidissement des déflecteurs et, à même température de fonctionnement de la chambre, de le diminuer pour en affecter une partie à une autre fonction ou bien d'accepter des températures de fonctionnement plus élevées pour un même débit d'air de refroidissement. Les CMC, composants à matrice céramique, sont en soi connus. Ils sont formés d'un renfort en fibres céramique et d'une matrice céramique. La fabrication d'un CMC comprend la réalisation d'une préforme fibreuse destinée à constituer le renfort de la structure, et la densification de la préforme par le matériau céramique de la matrice. Les CMC présentent l'avantage de conserver leurs propriétés mécaniques jusqu'à des températures élevées en milieu oxydant. Le montage d'une pièce de ce type dans une structure métallique présente toutefois des difficultés en raison notamment de la différence importante de leur coefficient de dilatation avec les pièces environnantes. Un CMC a un taux de dilatation thermique quatre fois plus faible que celui du métal utilisé pour la chambre. Par ailleurs ce matériau ne peut pas être soudé ou brasé. La présente invention a pour but de proposer un mode de montage simple et économique des déflecteurs en matériau de type CMC sur la paroi de fond d'une chambre de combustion. A cet effet, l'invention a pour objet une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz comprenant au moins une paroi de fond de chambre pourvue d'ouvertures pour des dispositifs d'alimentation en air carburé et une protection sectorisée, montée sur ladite paroi de fond de chambre et formée par des déflecteurs, chaque déflecteur venant en appui sur la face aval de ladite paroi et comprenant une ouverture correspondante à une ouverture du fond de chambre, une partie cylindrique annulaire et une partie radiale sensiblement plane, ladite chambre comprenant en outre un fourreau métallique venant en appui sur la face amont de ladite paroi de fond de chambre caractérisée par le fait que ledit fourreau porte un support de déflecteur métallique constituant en aval de ladite paroi une butée en translation axiale pour ledit déflecteur, de façon à maintenir le déflecteur sensiblement en contact avec ladite paroi de fond de chambre. Le déflecteur est ainsi tenu mécaniquement par un simple pinçage entre le fond de chambre et le support de déflecteur, sans qu'il soit besoin de recourir à un soudage ou un brasage. Ces pièces qui présentent des coefficients de dilatation différents de celui du déflecteur en CMC, peuvent par ailleurs se dilater sans créer de contraintes importantes dans le déflecteur. Selon des modes de réalisation préférentiels : - ledit support de déflecteur a la forme d'une pièce constituée d'une partie cylindrique dont le diamètre extérieur X est inférieur au diamètre intérieur de l'ouverture du déflecteur et d'une collerette radiale dont le diamètre extérieur est supérieur audit diamètre intérieur de l'ouverture du déflecteur. 4 - le fourreau présente une partie cylindrique dont le diamètre intérieur est sensiblement égal au diamètre extérieur X de la partie cylindrique du déflecteur. - la partie cylindrique du support de fourreau s'insère dans la partie cylindrique du fourreau pour y être fixée par soudage ou brasage. - le support de déflecteur est monté sans jeu contre le déflecteur lorsque la chambre de combustion est froide. - le diamètre extérieur de la partie cylindrique du support de déflecteur est tel qu'il présente à froid un jeu avec le déflecteur, et que ce jeu s'élimine aux températures de fonctionnement de la chambre de combustion. - le fourreau présente des perçages répartis régulièrement sur la circonférence de sa partie cylindrique. - le support de déflecteur est une pièce circulaire sur laquelle est formée une succession de nervures et de rainures alignées selon l'axe de l'ouverture du fond de chambre, lesdites rainures communiquant avec les perçages du fourreau de façon à former un canal de circulation d'air pour le refroidissement du métal du support de déflecteur. - le système d'alimentation en air carburé comprend un bol divergent qui se prolonge par une bride transversale s'insérant entre la partie radiale du fourreau et une bague fixée solidairement à ladite partie radiale du fourreau. - le fourreau et le support de déflecteur présentent respectivement sur leur circonférence une encoche apte à recevoir un doigt d'alignement de façon à positionner angulairement les deux pièces l'une par rapport à l'autre lors du montage. - le doigt d'alignement est maintenu en place dans son logement par la bride transversale du système d'alimentation. - le doigt d'alignement est maintenu en place dans son logement par 30 soudage, - le déflecteur est réalisé en un matériau CMC. L' invention sera mieux comprise, et d' autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de 35 réalisation de l'invention donné à titre d'exemples purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue en coupe axiale d'un détail de la 5 chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz, montrant un fond de chambre monté selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue en perspective des divers éléments pour le montage d'un fond de chambre selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue en coupe axiale d'un détail d'un fond de chambre monté selon un mode de réalisation de l'invention, montrant le dispositif de blocage en rotation des divers éléments constituant le fond de chambre ; et - les figures 5 et 6 sont des vues en coupe axiale et en perspective d'un détail d'un fond de chambre monté selon un mode de réalisation de l'invention, montrant la circulation de l'air de refroidissement du support de déflecteur. En se référant à la figure 2, on voit une section d'une paroi 6 d'un fond de chambre pourvue d'une ouverture pour un système 7 d'alimentation en air carburé. Contre cette paroi est placé du côté de l'intérieur de la chambre de combustion un déflecteur 9 destiné à protéger le fond de la chambre des températures élevées générées par la combustion. Ce déflecteur est avantageusement réalisé en composite à matrice céramique (CMC) qui peut résister à ces températures élevées sans avoir besoin d'un refroidissement par air. Il peut, de façon alternative, être réalisé en tout matériau résistant aux températures élevées et ayant un faible coefficient de dilation, comparable à celui du CMC. Il est maintenu en place contre la paroi 6 du fond de chambre par un support de déflecteur 10, en matériau métallique. Le support de déflecteur 10 a, en coupe, une forme en L avec une partie cylindrique 10c dont le diamètre extérieur X est inférieur à celui de l'ouverture du déflecteur pour pouvoir y être glissé, et une partie radiale 10r, en forme de collerette, s'étendant vers l'extérieur de la chambre et dont le diamètre extérieur est supérieur à celui de la dite ouverture. Le déflecteur 9 est ainsi pincé entre la paroi 6 du fond de chambre contre laquelle il est en butée, et la collerette 1Or du support de 6 déflecteur 10 qui lui sert de butée en translation axiale en aval du fond de chambre, sans qu'il soit besoin de le fixer rigidement à la paroi 6 du fond de chambre. Cette configuration permet d'utiliser un matériau non soudable ni brasable, comme des CMC, pour réaliser le déflecteur. De l'autre côté de la paroi 6 du fond de chambre, c'est à dire en amont de la chambre, est placé un fourreau 8 présentant lui aussi une partie cylindrique 8c et une partie sensiblement radiale 8r. La partie cylindrique 8c a un diamètre intérieur qui est aussi inférieur à celui de l'ouverture et qui est sensiblement égal au diamètre extérieur de la partie cylindrique 1Oc du déflecteur 10. Le support de déflecteur 10 s'insère dans la partie cylindrique du fourreau 8 lors du montage et y est fixé, par exemple par soudage. L'ensemble fourreau 8, déflecteur 9 et support de déflecteur 10 constitue ainsi un bloc qui emprisonne la paroi 6, tout en laissant libre le passage pour le système d'alimentation 7 en air carburé dans l'ouverture du fond de chambre. Il importe de maintenir constamment le déflecteur 9 sensiblement en contact avec ladite paroi 6 de fond de chambre. Du fait des différences de dilatation entre les pièces métalliques et le déflecteur, réalisé en CMC, des jeux de dilatation doivent être prévus pour que les pièces métalliques puissent se dilater et que le déflecteur ne subisse pas de contraintes excessives. Tout d'abord, lors du montage, à froid, le déflecteur 9 est positionné contre la paroi 6 du fond de chambre, sans jeu axial et immobilisé par la mise en place du support de déflecteur 10 et du fourreau 8 puis par le soudage de l'un sur l'autre. Lors de la montée en température, moteur en fonctionnement, les parties cylindriques du fourreau 8c et du support de déflecteur 1Oc s'étendent axialement et font apparaître un jeu le long de la paroi 6, qui pourrait permettre au déflecteur de se déplacer. Cependant, le diamètre extérieur X de la partie cylindrique 10c du support de déflecteur est, à froid, inférieur au diamètre interne du déflecteur. Il est choisi de telle sorte que, après dilatation, ce diamètre extérieur du support de déflecteur devienne égal ou même légèrement supérieur à celui du diamètre intérieur du déflecteur. De cette façon on obtient, à chaud, une immobilisation du déflecteur 9 par le serrage généré par la dilatation radiale de la partie cylindrique 1Oc du support de déflecteur. 7 Le déflecteur est ainsi tenu, à froid par la collerette 1Or et à chaud par la partie cylindrique 1 Oc du support de déflecteur. Toujours en référence à la figure 2 on voit un système d'alimentation 7 en air carburé comprenant entre autres un bloc 7a destiné à recevoir l'injecteur de carburant et à admettre l'air pour que celui-ci se mélange au carburant. Ce bloc se prolonge par un bol divergent 7b pour assurer une diffusion correcte de l'air carburé dans la chambre de combustion 1. Le bol 7b se prolonge par une bride transversale 7c qui s'étend jusqu'à la face amont de la partie radiale 8r du fourreau 8, sur laquelle elle s'appuie. Le système d'alimentation 7 est maintenu en place par une bague 11 qui est soudée ou brasée sur la partie radiale 8r du fourreau, de façon à emprisonner la bride transversale 7c entre elle et ladite partie radiale 8r et à fixer le système d'alimentation 7 sur la paroi de fond de chambre 6. Comme on peut le remarquer sur les figures 2 à 6, la collerette 1Or recouvre une partie du déflecteur et est donc exposée aux conditions de température de la chambre de combustion. Cet élément étant, à la différence du déflecteur, réalisé en matériau métallique nécessite d'être refroidi pour supporter les conditions qui lui sont imposées. L'invention prévoit donc un circuit de refroidissement qui passe à travers le fourreau 8, comme indiqué sur les figures 5 et 6. Pour cela le fourreau 8 est traversé de perçages 13 répartis régulièrement sur la circonférence de sa partie cylindrique 8c. En face le support de déflecteur 10 se présente comme une pièce circulaire sur laquelle est formée une succession de nervures 14 et de rainures 15 alignées selon l'axe de l'ouverture du fond de chambre. Ces rainures ont pour but de définir des canaux de circulation d'air pour le refroidissement du métal du support de déflecteur 10. Le nombre et l'espacement des rainures 15 correspondent aux perçages 13 pratiqués dans le fourreau 8 et communiquent avec eux pour former les canaux de circulation d'air. Afin de garantir un bon alignement des perçages 13 et des rainures 15 un dispositif d'alignement des deux pièces est prévu. Dans la configuration illustrée sur la figure 3 ce dispositif est constitué par un doigt d'orientation 12 qui est apte à s'insérer dans des encoches 16 et 17 pratiqués respectivement dans le fourreau 8 et le support de fourreau 10. Des encoches similaires sont également pratiquées dans le déflecteur 9 et le fond de chambre 6 pour laisser le passage à ce doigt d'orientation 12. Lors du montage l'opérateur prend soin d'aligner toutes ces encoches pour pouvoir y glisser le doigt d'orientation 12. Ce doigt est maintenu en place après l'installation du système d'alimentation 7 en gaz carburé, par soudage sur le fourreau 8. Le refroidissement de la collerette 1Or s'effectue, comme on le voit sur les figures 5 et 6, de la façon suivante : de l'air en sortie du diffuseur 3 d'air comprimé est dévié en direction du fourreau 8 et passe à travers les perçages 13 pour atteindre les rainures 15 du support de déflecteur 10. Il circule le long de ces rainures et passe entre le déflecteur 9 et le support de déflecteur 10, refroidissant ainsi ledit support. Il est bien évident que le débit d'air qui est prélevé sur le circuit principal est très inférieur à celui qui était prélevé dans l'art antérieur pour refroidir le déflecteur, la masse de matière à refroidir étant, ici, très nettement inférieure. L'homme du métier saura ajuster la section de la rainure pour ajuster le débit qui y circule à la valeur strictement nécessaire au refroidissement recherché. En référence à la figure 3, le montage d'un déflecteur selon un mode de réalisation de l'invention s'effectue de la manière suivante : Le fourreau 8 est tout d'abord brasé sur le fond de chambre 6 en alignant les encoches pratiquées sur les deux pièces. Puis le déflecteur 9 est centré sur le support de déflecteur 10 en alignant les encoches 17 et 18. Ce sous-ensemble est ensuite centré sur le fourreau, mis en appui contre le fond de chambre 6 et orienté par le doigt d'orientation 12. Des cordons de soudure sont réalisés entre le fourreau 8 et le support de déflecteur 10 pour assurer le maintien de ce sous-ensemble sur le fond de chambre 6. Un système d'alimentation 7 en air carburé est déposé dans l'ouverture du fond de chambre et centré dans le fourreau 8. Une bague 11 est ensuite posée contre le fourreau 8 de façon à emprisonner la bride transversale 7c, puis soudée sur la partie radiale 8r du fourreau de façon à maintenir le système d'alimentation 7 en place. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de 1' invention. REVENDICATIONS1. Chambre de combustion de moteur à turbine à gaz comprenant au moins une paroi (6) de fond de chambre pourvue d'ouvertures pour des dispositifs (7) d'alimentation en air carburé et une protection sectorisée, montée sur ladite paroi de fond de chambre et formée par des déflecteurs (9), chaque déflecteur (9) venant en appui sur la face aval de ladite paroi (6) et comprenant une ouverture correspondante à une ouverture du fond de chambre, une partie cylindrique (9c) annulaire et une partie radiale (9r) sensiblement plane, ladite chambre comprenant en outre un fourreau (8) métallique venant en appui sur la face amont de ladite paroi (6) de fond de chambre caractérisée par le fait que ledit fourreau porte un support de déflecteur (10) métallique constituant en aval de ladite paroi (6) une butée en translation axiale pour ledit déflecteur, de façon à maintenir le déflecteur (9) sensiblement en contact avec ladite paroi (6) de fond de chambre. 2. Chambre de combustion selon la revendication précédente dans laquelle ledit support de déflecteur (10) a la forme d'une pièce constituée d'une partie cylindrique (10c) dont le diamètre extérieur X est inférieur au diamètre intérieur de l'ouverture du déflecteur et d'une collerette radiale (10r) dont le diamètre extérieur est supérieur audit diamètre intérieur de l'ouverture du déflecteur. 3. Chambre de combustion selon la revendication 2 dans laquelle le fourreau (8) présente une partie cylindrique (8c) dont le diamètre intérieur est sensiblement égal au diamètre extérieur X de la partie cylindrique (10c) du déflecteur (10). 4. Chambre de combustion selon la revendication 3 dans laquelle la partie cylindrique (10c) du support de fourreau (10) s'insère dans la partie cylindrique (8c) du fourreau (8) pour y être fixée par soudage ou brasage. 5. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 4 dans laquelle le support de déflecteur (10) est monté sans jeu contre le déflecteur (9) lorsque la chambre de combustion est froide. 6. Chambre de combustion selon l'une des revendications 2 à 35 4 dans laquelle le diamètre extérieur de la partie cylindrique (10c) du support de déflecteur (10) est tel qu'il présente à froid un jeu avec le 10 déflecteur (9), et que ce jeu s'élimine aux températures de fonctionnement de la chambre de combustion. 7. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 6 dans laquelle le fourreau (8) présente des perçages (13) répartis régulièrement sur la circonférence de sa partie cylindrique (8c). 8. Chambre de combustion selon la revendication 7 dans laquelle le support de déflecteur est une pièce circulaire sur laquelle est formée une succession de nervures (14) et de rainures (15) alignées selon l'axe de l'ouverture du fond de chambre, lesdites rainures (15) communiquant avec les perçages (13) de façon à former un canal de circulation d'air pour le refroidissement du métal du support de déflecteur (10). 9. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 8 dans laquelle le système d'alimentation (7) en air carburé comprend un bol divergent (7b) qui se prolonge par une bride transversale (7c) insérée entre la partie radiale (8r) du fourreau (8) et une bague (11) fixée solidairement à ladite partie radiale (8r) du fourreau. 10. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 8 dans laquelle le fourreau (8) et le support de déflecteur (10) présentent respectivement sur leur circonférence une encoche (16, 17) apte à recevoir un doigt d'alignement (12) de façon à positionner angulairement les deux pièces l'une par rapport à l'autre lors du montage. 11. Chambre de combustion selon l'ensemble des revendications 9 et 10 dans laquelle le doigt d'alignement (12) est maintenu en place dans son logement par la bride transversale (7c) du système d'alimentation (7). 12. Chambre de combustion selon l'ensemble des revendications 9 et 10 dans laquelle le doigt d'alignement (12) est maintenu en place dans son logement par soudage. 13. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 12 dans laquelle le déflecteur (10) est réalisé en un matériau ayant une résistance aux températures élevées et un coefficient de dilatation, comparables à ceux du CMC. 14. Moteur à turbine à gaz équipé d'une chambre de 35 combustion selon l'une des revendications précédentes.