FR3004518A1 - Chambre de combustion annulaire d'une turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une chambre de combustion annulaire d'une turbomachine, comportant des viroles interne et externe (4) comprenant chacune une partie annulaire aval (21) multiperforée prolongée par une bride radiale (27) pour la fixation de la virole sur un carter de la turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un écran de protection annulaire (26), par exemple en un alliage métallique ou en céramique à matrice composite, fixé au niveau de la partie aval (21) de l'une au moins des viroles (4), dans l'espace annulaire (41a) délimité entre lesdites viroles (4), ledit écran de protection (26) comportant une partie axiale (33) et une partie radiale situées respectivement en regard de la partie axiale (21) et de la bride radiale (27) de la virole correspondante (4).

Description

Chambre de combustion annulaire d'une turbomachine La présente invention concerne une chambre de combustion annulaire d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Comme cela est connu notamment des documents FR 2 840 974, FR 2 937 098 et FR 2 921 463 au nom de la Demanderesse, la chambre annulaire de combustion d'une turbomachine comporte classiquement des parois de révolution coaxiales qui s'étendent l'une à l'intérieur de l'autre, appelées virole interne et virole externe, et qui sont reliées à leurs extrémités amont par une paroi annulaire de fond de chambre comportant des ouvertures de montage d'injecteurs de carburant. En fonctionnement, une partie du débit d'air fourni par un compresseur d'alimentation de la chambre passe à travers des ouvertures 15 de la paroi de fond de chambre et est mélangé au carburant amené par les injecteurs, ce mélange air/carburant étant ensuite brûlé à l'intérieur de la chambre. Une autre partie de ce débit d'air contourne la chambre de combustion puis pénètre dans la chambre à travers des multiperforations des viroles interne et externe de la chambre. 20 Un distributeur sectorisé d'entrée de turbine est monté en sortie de la chambre de combustion et comprend des viroles coaxiales entre lesquelles s'étendent des aubes sensiblement radiales. Les viroles du distributeur sont dans le prolongement axial des viroles interne et externe de la chambre de combustion. 25 Des moyens d'étanchéité sont prévus entre la chambre de combustion et le distributeur, en particulier entre les extrémités aval des viroles interne et externe de la chambre de combustion et les extrémités amont des viroles interne et externe du distributeur de turbine. Plus précisément, l'extrémité aval de chaque virole de la 30 chambre de combustion comporte un rebord dont une partie radiale est prolongée par une partie cylindrique s'étendant vers l'aval. De plus, l'extrémité amont de chaque virole du distributeur comporte un rebord radial de plus faible dimension que la partie radiale précitée du rebord correspondant de la chambre de combustion. Les moyens d'étanchéité comportent des lamelles d'étanchéité s'étendant radialement et circonférentiellement le long de chaque secteur, prenant chacune appui de façon étanche sur une face radiale du rebord correspondant du distributeur et sur l'extrémité libre de la partie axiale du rebord correspondant de la chambre de combustion. Les lamelles sont maintenues en appui sur les éléments correspondants à l'aide de moyens élastiques de rappel. Il s'avère que, dans des cas de fonctionnement extrêmes de la turbomachine, la température à l'intérieur de la chambre de combustion est telle que des criques ou des fissures peuvent se former dans les parties aval des viroles, notamment au niveau des multiperforations des viroles ou au niveau de la base des rebords des viroles, c'est-à-dire au niveau des zones de jonction entre ces rebords et le reste des viroles. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. A cet effet, elle propose une chambre de combustion annulaire d'une turbomachine, comportant une virole interne et une virole externe comprenant chacune une partie annulaire aval s'étendant axialement et comportant des multiperforations, prolongée par une bride s'étendant radialement, destinée à la fixation de la virole correspondante sur un carter de la turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un écran de protection annulaire, par exemple en un alliage métallique ou en céramique à matrice composite, fixé au niveau de la partie aval de l'une au moins des viroles, dans l'espace annulaire délimité entre lesdites viroles, ledit écran de protection comportant une partie s'étendant axialement et une partie s'étendant radialement situées respectivement en regard de la partie s'étendant axialement et de la bride radiale de la virole correspondante.

De cette manière, l'écran de protection protège la partie aval multiperforée de la virole correspondante ainsi que la bride correspondante, de façon à éviter l'apparition de criques ou de fissures dans ces zones. Les multiperforations de la virole permettent également de refroidir l'écran de protection en fonctionnement, afin d'améliorer sa tenue aux contraintes thermiques pouvant apparaître au sein de la chambre de combustion. La partie radiale de l'écran de protection peut être fixée à la bride radiale de la virole correspondante, par exemple par vissage. En outre, l'extrémité amont de la partie axiale de l'écran de protection peut être fixée sur la virole correspondante par engagement dans une rainure de ladite virole. Ceci autorise un déplacement relatif entre l'extrémité amont de l'écran de protection et la virole correspondante, de façon à compenser notamment les dilatations thermiques différentielles entre l'écran de protection et la virole. Dans ce cas, un jonc annulaire de section en U peut être monté sur l'extrémité amont de la partie axiale de l'écran de protection, ladite extrémité et ledit jonc étant engagés dans la rainure de la virole correspondante.

Le jonc peut être monté élastiquement sur l'extrémité amont de l'écran de protection et un jeu de montage peut être prévu entre le jonc et la rainure, de manière à faciliter le montage de l'ensemble. De préférence, le jonc comporte des ouvertures permettant le passage d'air entre le fond de la rainure et l'espace situé entre l'écran de protection et la virole opposée, de manière à refroidir efficacement la lèvre formant l'une des parois latérales de la rainure, située entre la partie axiale de l'écran de protection et l'espace interne de la chambre de combustion. En outre, la virole correspondante peut comporter des orifices de passage d'air débouchant dans le fond de la rainure et radialement à l'extérieur de la virole externe ou radialement à l'intérieur de la virole interne, de manière à alimenter en air le fond de la rainure.

Avantageusement, la partie axiale de l'écran de protection comporte des multiperforations. Ceci permet de refroidir efficacement l'écran de protection par passage de l'air au travers des multiperforations et par formation d'un film d'air le long de la paroi de l'écran de protection qui est tournée vers l'intérieur de la chambre de combustion. Dans ce cas, les multiperforations de l'écran de protection peuvent être orientées de l'amont vers l'aval, et radialement de l'extérieur vers l'intérieur, lorsque l'écran de protection équipe la virole externe, ou radialement de l'intérieur vers l'extérieur, lorsque l'écran de protection équipe la virole interne. De plus, l'écran de protection comporte des orifices de passage d'air orientés axialement, au niveau de la zone de raccordement entre la partie axiale et la partie radiale de l'écran de protection.

Cette caractéristique permet d'éviter que des gaz chauds issus de la chambre de combustion pénètrent dans l'espace annulaire délimité axialement entre la partie radiale de l'écran de protection ou la bride radiale de la virole, d'une part, et l'extrémité amont du distributeur, d'autre part. L'invention concerne également une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comporte une chambre de combustion du type précité, un distributeur de turbine agencé en aval de la chambre de combustion, et des moyens d'étanchéité comportant au moins une lamelle en appui sur un rebord annulaire axial s'étendant depuis la partie radiale de l'écran de protection, et en appui sur un rebord radial de l'extrémité amont du distributeur. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue en coupe longitudinale d'une partie d'une chambre de combustion et d'un distributeur de turbine d'une turbomachine de l'art antérieur, - la figure 2 est une vue en perspective d'une partie de la chambre et du distributeur de la figure 1, équipés de moyens d'étanchéité, - la figure 3 est une vue en coupe et de détail, illustrant les moyens d'étanchéité de l'art antérieur situés entre la virole externe de la chambre de combustion et la virole externe du distributeur, - la figure 4 est une vue en coupe et de détail, illustrant les moyens d'étanchéité de l'art antérieur situés entre la virole interne de la chambre de combustion et la virole interne du distributeur, - les figures 5 et 6 sont des vues en coupe et de détail, illustrant une partie d'une turbomachine selon l'invention, - la figure 7 est une vue en perspective d'une partie du jonc de la turbomachine selon l'invention, - les figures 8 et 9 illustrent les positions des multiperforations de la partie aval d'une virole par rapport aux multiperforations de l'écran de protection correspondant, selon deux variantes de réalisation. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une partie d'une chambre annulaire de combustion 1 d'une turbomachine de l'art antérieur, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, qui est agencée en aval d'un compresseur et d'un diffuseur (non représentés), et en amont d'un distributeur 2 d'entrée d'une turbine haute-pression. La chambre de combustion 1 comprend des parois de révolution interne et externe, appelées respectivement virole interne 3 et virole externe 4, qui s'étendent à l'intérieur l'une de l'autre et qui sont reliées en amont à une paroi annulaire de fond de chambre (non représentée). Afin de limiter la déformation des viroles interne 3 et externe 4, ces dernières sont équipées à leur extrémité aval d'organes d'appui 6 interne et externe. Chaque organe d'appui 6 est annulaire et présente une section en forme de U ou en forme d'épingle. Chaque organe d'appui 6 s'étend radialement vers l'intérieur ou vers l'extérieur, entre un rebord 7 de la virole interne 3 ou de la virole externe 4 de la chambre de combustion 1 et un carter interne 8 ou un carter externe 9 de la chambre 1.

Plus particulièrement, l'extrémité aval de chaque virole 3, 4 de la chambre de combustion 1 comporte un rebord 7 comprenant une partie radiale 7a prolongée par une partie cylindrique 7b s'étendant vers l'aval. Le distributeur 2 est fixé en aval de la chambre 1 par des moyens appropriés et comprend des viroles annulaires interne 11 et externe 12 qui s'étendent l'une à l'intérieur de l'autre et qui sont reliées entre elles par des aubes 13 sensiblement radiales. La virole externe 12 du distributeur 2 est alignée axialement avec la partie d'extrémité aval de la virole externe 4 de la chambre 1, et sa virole interne 11 est alignée axialement avec la partie d'extrémité aval de la virole interne 3 de la chambre 1. L'extrémité amont de chaque virole 11, 12 du distributeur 2 comporte un rebord radial 14 de dimension plus réduite que la partie radiale 7a du rebord correspondant 7 de la chambre de combustion 1. Ce distributeur 2 est sectorisé et formé de plusieurs secteurs contigus sur une circonférence centrée sur l'axe de révolution A de la 20 chambre 1. Les secteurs de distributeur sont par exemple au nombre de quatorze. Les rebords internes 7, 14 des viroles internes 3, 11 de la chambre 1 et du distributeur 2 délimitent un espace annulaire interne 15 qui débouche à une extrémité dans la chambre 1 et qui est fermé à son autre 25 extrémité par des moyens d'étanchéité 16. De même, les rebords externes 7, 14 des viroles externes 4, 12 de la chambre 1 et du distributeur 2 délimitent un espace annulaire externe 15 qui débouche à une extrémité dans la chambre 1 et qui est fermé à son autre extrémité par des moyens d'étanchéité 16. 30 Comme cela est mieux visible aux figures 2 à 4, ces moyens d'étanchéité 16 comportent des lamelles d'étanchéité 17 s'étendant radialement et circonférentiellement le long de chaque secteur de distributeur 2. Chaque lamelle 17 prend appui de façon étanche sur une face radiale du rebord 14 correspondant du distributeur 2 et sur l'extrémité libre de la partie axiale 7b du rebord 7 correspondant de la chambre de combustion 1. Les lamelles 17 sont maintenues en appui sur les rebords 7, 14 à l'aide de moyens élastiques de rappel. Ces moyens élastiques sont des ressorts hélicoïdaux 18 de forme conique, montés autour de vis 19 qui sont vissées dans des pattes 20 ou brides s'étendant radialement depuis la virole correspondante 11, 12 du distributeur 2. La partie étroite de chaque ressort 18 prend appui sur une face radiale de la patte 20 correspondante, la partie large prenant appui sur la lamelle d'étanchéité 17. Les extrémités des vis 19 sont engagées dans des trous de la lamelle d'étanchéité 17, de façon à assurer son maintien en position.

Comme indiqué précédemment, les parties aval 21 des viroles interne et externe 3, 4 peuvent comporter des multiperforations 22. Lors du fonctionnement de la turbomachine, de l'air de contournement 23 circule dans les espaces 24 et 25 délimités respectivement par le carter externe 9 et la virole externe 4, d'une part, et par le carter interne 8 et la virole interne 3, d'autre part. Cet air de contournement 23 traverse les multiperforations 22, de manière à limiter l'échauffement des parties aval 21 des viroles interne et externe 3, 4. Il s'avère que, dans des cas de fonctionnement extrêmes de la turbomachine, la température à l'intérieur de la chambre de combustion est telle que des criques ou des fissures peuvent se former dans les parties aval 21 des viroles 3, 4, notamment au niveau des multiperforations 22 des viroles 3, 4 ou au niveau de la base des rebords 7, c'est-à-dire au niveau des zones de jonction entre ces rebords 7 et les parties aval 21 multiperforées des viroles 3, 4.

Les figures 5 à 7 illustrent une forme de réalisation de l'invention, dans laquelle chaque virole 3, 4 est recouverte, dans sa partie aval 21, par un écran de protection 26. Seule la virole externe 4 est représentée sur ces figures, la structure de la virole interne 6 et de l'écran associé 26 présentant des caractéristiques similaires. Comme précédemment, la partie aval 21 de la virole externe 4 comporte des multiperforations 22 orientées sensiblement radialement, ladite partie aval 21 étant prolongée par une bride 27 s'étendant radialement, destinée à la fixation de la virole externe 4 sur le carter externe 9. La partie aval 21 multiperforée de la virole externe 4 est sensiblement cylindrique et est décalée radialement à l'extérieur par rapport à la partie 28 de la virole externe 4 située directement en amont. Une rainure 29 orientée axialement et débouchant vers l'aval est formée dans la zone de jonction 30 entre la partie aval 21 et la partie 28 de la virole 4 située directement en amont. Cette rainure 29 est délimitée radialement à l'extérieur par l'extrémité amont de la partie aval 21 de la virole 4, et est délimitée radialement à l'intérieur par une lèvre cylindrique 31 (figure 6). Des orifices radiaux 32 sont ménagés au niveau de la zone de jonction 30, ces orifices 32 débouchant dans le fond de la rainure 29 et dans l'espace annulaire 24 délimité par la virole externe 4 et par le carter externe 9. L'écran de protection 26 a une forme annulaire et comporte une partie sensiblement cylindrique 33 prolongée à son extrémité aval par une partie annulaire radiale 34. Les deux parties 33, 34 sont reliées l'une à l'autre par une zone annulaire de jonction 35, de section courbe.

Un rebord cylindrique 36 s'étend vers l'aval depuis l'extrémité radialement externe de la partie radiale 34 de l'écran de protection 26 (figure 5). Cette partie radiale 34 est appliquée sur la face aval de la bride 27 de la virole externe 4 et est fixée à celle-ci à l'aide de vis 37. Par ailleurs, l'extrémité amont de la partie cylindrique 33 est engagée dans la rainure 29. Plus précisément, un jonc annulaire métallique 38 est monté fixement sur l'extrémité amont de la partie cylindrique 33, ledit jonc 38 et ladite extrémité amont étant engagés dans la rainure 29. Un jeu peut être prévu entre le jonc 38 et les parois latérales de la rainure 29, de manière à faciliter le montage.

Le jonc 38 comporte des portions élastiques 39 de section en forme générale de U, dont les branches sont tournées vers l'aval et enserrent élastiquement l'extrémité amont de la partie cylindrique 33 de l'écran de protection 26. Les portions en U du jonc 38 sont reliées par des portions 40 dont les sections sont en forme de moitié de U, de manière à ménager des ouvertures 41 dans la partie radialement interne et autoriser ainsi le passage de l'air depuis le fond de la rainure 29 vers l'espace interne 41a de la chambre de combustion 1. La partie cylindrique 33 de l'écran de protection 26 comporte en outre des multiperforations 42 situées globalement en regard des multiperforations 22 de la partie aval 21 de la virole externe 4. Ces multiperforations 42 sont inclinées de l'amont vers l'aval et radialement de l'extérieur vers l'intérieur, d'un angle de l'ordre de 45° à 60° par exemple par rapport au plan radial. Des orifices axiaux 43 sont en outre ménagés au niveau de la zone de jonction 35, ces orifices 43 débouchant dans l'espace 44 ménagé entre la virole externe 4 et l'écran de protection correspondant 26, d'une part, et en regard de la plate-forme de la virole externe 12 du distributeur 2, d'autre part. Dans le cas de la figure 6 (cas de la virole externe 4), la circonférence passant par les points hauts (points les plus éloignés de l'axe de la turbomachine) des orifices 43 a, de préférence, un diamètre inférieur de 1,5 à 2,5 mm par exemple au diamètre intérieur de la virole externe 12. Par ailleurs, dans le cas de la virole interne 3, la circonférence passant par les points bas (points les plus proches de l'axe de la turbomachine) des orifices 43 a, de préférence, un diamètre supérieur de 1,5 à 2,5 mm par exemple au diamètre extérieur de la virole interne 11.

Les orifices 32, 43 et les multiperforations 22, 42 sont globalement répartis uniformément sur toute la circonférence de la virole 4 et de l'écran de protection 26. Les figures 8 et 9 illustrent les positions des multiperforations 22 par rapport aux multiperforations 42. Celles-ci sont positionnées, soit sur des maillages de type équilatéraux (figure 8), soit sur des maillages de type carrés (figure 9). Dans les deux cas, les multiperforations 22 sont décalées axialement et radialement par rapport aux multiperforations 42. On notera également que les multiperforations 42 peuvent présenter une section en forme d'éllipse et les multiperforations 22 peuvent avoir une section circulaire. La virole interne 3 et la virole externe 4 peuvent être réalisées en alliage à base de cobalt ou de nickel/chrome, chaque écran de protection 26 pouvant être réalisé en un matériau composite à matrice céramique (CMC) ou en un alliage, par exemple à base de cobalt. Le jonc 38 peut être réalisé en un alliage à base de nickel/chrome. Comme précédemment, il est prévu des moyens d'étanchéité 16 comportant des lamelles 17 s'étendant entre la chambre de combustion 1 et le distributeur 2. Dans le cas de l'invention, chaque lamelle 17 prend appui de façon étanche sur l'extrémité libre du rebord cylindrique 36 de l'écran de protection 26 et sur l'extrémité libre du rebord amont 14 du distributeur 2. Les lamelles 17 sont maintenues en appui sur les éléments correspondants à l'aide de moyens élastiques de rappel non représentés, similaires à ceux décrits précédemment.

En fonctionnement, de l'air froid de contournement 23 circule dans les espaces 24 et 25. Cet air traverse les orifices 32 de façon à déboucher dans le fond de la rainure 29, puis traverse les ouvertures 41. Cet air refroidit ainsi notamment la lèvre 31 ainsi que l'extrémité amont de la partie cylindrique 33 de l'écran de protection thermique 26.

L'air de contournement 23 traverse en outre les multiperforations 22 de la virole externe 4 afin de déboucher dans l'espace 44 ménagé entre la virole 4 et l'écran de protection 26, puis traverse les multiperforations 42 de l'écran de protection 26 afin de refroidir ce dernier et créer un film d'air au niveau de la surface interne de la partie cylindrique 33. Ceci permet de refroidir efficacement l'écran de protection 26.

L'air débouchant dans l'espace 44 précité traverse également les orifices 43 de manière à former un flux d'air dirigé axialement vers l'aval de façon à éviter que l'air chaud éjecté par la chambre de combustion pénètre dans l'espace 15. L'invention propose donc une chambre de combustion 1 dont la partie aval 21 de chaque virole 3, 4 est protégée par un écran 26, les viroles 3, 4 et les écrans de protection 26 étant refroidis efficacement à l'aide des multiperforations 22, 42 et des orifices 32, 43. On évite ainsi l'apparition de criques ou de fissures au niveau des viroles 3, 4. Par ailleurs, le remplacement éventuel des écrans de protection 26 peut être réalisé simplement et rapidement.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Chambre de combustion annulaire (1) d'une turbomachine, comportant une virole interne (3) et une virole externe (4) comprenant chacune une partie annulaire aval (21) s'étendant axialement et comportant des multiperforations (22), prolongée par une bride (27) s'étendant radialement, destinée à la fixation de la virole correspondante (3, 4) sur un carter (8, 9) de la turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un écran de protection annulaire (26), par exemple en un alliage métallique ou en céramique à matrice composite, fixé au niveau de la partie aval (21) de l'une au moins des viroles (3, 4), dans l'espace annulaire (41a) délimité entre lesdites viroles (3, 4), ledit écran de protection (26) comportant une partie (33) s'étendant axialement et une partie (34) s'étendant radialement situées respectivement en regard de la partie (21) s'étendant axialement et de la bride radiale (27) de la virole correspondante (3, 4).
2. 2. Chambre de combustion (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie radiale (34) de l'écran de protection (26) est fixée à la bride radiale (27) de la virole correspondante (3, 4), par exemple par vissage (37).
3. 3. Chambre de combustion (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'extrémité amont de la partie axiale (33) de l'écran de protection (26) est fixée sur la virole correspondante (3,
4. 4) par engagement dans une rainure (29) de ladite virole (3, 4). 4. Chambre de combustion (1) selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'un jonc annulaire (38) de section en U est monté sur l'extrémité amont de la partie axiale (33) de l'écran de protection (26), ladite extrémité et ledit jonc (38) étant engagés dans la rainure (29) de la virole correspondante (3, 4).
5. 5. Chambre de combustion (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que le jonc (38) comporte des ouvertures (41)permettant le passage d'air entre le fond de la rainure (29) et l'espace (41a) situé entre l'écran de protection (26) et la virole opposée (4, 3).
6. 6. Chambre de combustion (1) selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que la virole correspondante (3, 4) comporte des orifices de passage d'air (32) débouchant dans le fond de la rainure (29) et radialement à l'extérieur de la virole externe (4) ou radialement à l'intérieur de la virole interne (3).
7. 7. Chambre de combustion (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la partie axiale (33) de l'écran de protection (26) comporte des multiperforations (42).
8. 8. Chambre de combustion (1) selon la revendication 7, caractérisée en ce que les multiperforations (42) de l'écran de protection (26) sont orientées de l'amont vers l'aval, et radialement de l'extérieur vers l'intérieur, lorsque l'écran de protection (26) équipe la virole externe (4), ou radialement de l'intérieur vers l'extérieur, lorsque l'écran de protection (26) équipe la virole interne (3).
9. 9. Chambre de combustion (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'écran de protection (26) comporte des orifices de passage d'air (43) orientés axialement, au niveau de la zone de raccordement (35) entre la partie axiale (33) et la partie radiale (34) de l'écran de protection (26).
10. 10. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comporte une chambre de combustion (1) selon l'une des revendications 1 à 9, un distributeur de turbine (2) agencé en aval de la chambre de combustion (1), et des moyens d'étanchéité (16) comportant au moins une lamelle (17) en appui sur un rebord annulaire axial (36) s'étendant depuis la partie radiale (34) de l'écran de protection (26), et en appui sur un rebord radial (14) de l'extrémité amont du distributeur (2).30