Domaine de l’invention

La présente invention concerne le domaine des turbines à cycle régénératif destinées notamment à la production d'énergie électrique ou mécanique embarquée à partir de carburants pour véhicules aéronautiques, terrestres, maritimes et unités mobiles légères.

Une turbine est composée de trois éléments :

• un compresseur, qui a pour rôle de comprimer de l'air ambiant à une pression comprise entre 2 et 30 bars environ ;

• une chambre de combustion, dans laquelle un combustible est injecté sous pression, puis brûlé avec l'air comprimé, avec un fort excès d'air afin de limiter la température des gaz d'échappement ;

• une turbine axiale dans laquelle sont détendus les gaz qui sortent de la chambre de combustion.

Dans une turbine à cycle régénératif, les gaz d'échappement sortent de la turbine à des températures élevées (supérieures à 500°C), alors que la température de l'air sortant du compresseur est plus basse (typiquement entre 200°C et 400°C), avec une circulation à travers un échangeur de chaleur inséré entre les gaz d'échappement et l'air comprimé permettant de réchauffer partiellement l’air avant entrée dans la chambre de combustion, ce qui permet de réduire la consommation de combustible.

L’invention concerne plus particulièrement la chambre de combustion et l’injection de combustible dans la chambre de combustion.

Etat de la technique

Le brevet américain US4453384 décrit un exemple de turbine à gaz comprenant:

- un boîtier annulaire ayant une pluralité de trous équidistants disposés

circonférentiellement; un tube à flamme annulaire positionné coaxialement à l'intérieur et espacé dudit boîtier annulaire, - ledit tube à flamme annulaire ayant un nombre correspondant de trous circonférentiellement équidistants alignés coaxialement avec les trous dudit boîtier

- une pluralité de tubes s'étendant radialement à travers ledit tube de flamme annulaire, chaque tube étant coaxial avec le trou correspondant dans le tube de flamme annulaire et le trou correspondant dans le boîtier annulaire, chaque tube s'étendant perpendiculairement à un axe dudit tube de flamme annulaire, chaque tube ayant un conduit s'étendant à travers celui-ci avec un axe normal à l'axe du tube et parallèle à l'axe dudit tube à flamme annulaire.

On connaît aussi le brevet allemand DE1254911 proposant des buses d'injection en forme de crochet montées dans le corps de buse d'injection, qui est fixé dans le porte-flamme avec son embout de buse, de manière à être

déplaçable par rapport aux parois de la chambre de combustion.

Dans un mode de réalisation de l'invention, la partie extérieure du corps de buse d'injection en forme de crochet est montée coulissante dans un guide, éventuellement associé à la paroi extérieure de la chambre de combustion, et un dispositif de serrage dirigé parallèlement à l'embout buccal de la buse est prévu pour maintenir l'extrémité avant de l'embout buccal contre une butée fixée dans un moyeu du porte-flamme.

On connaît enfin la demande de brevet britannique GB2097112 décrivant un rûleur à carburant pour moteur à turbine à gaz comprenant un bras d'alimentation en carburant et un injecteur de carburant, le bras d'alimentation en carburant et l'injecteur de carburant étant réunis, le bras d'alimentation en carburant ayant au moins un passage de carburant, l'injecteur de carburant 65 comprenant un corps ayant un passage dans communication avec l'au moins un passage de carburant dans le bras d'alimentation en carburant, le corps ayant un conduit d'air, l'axe du conduit d'air étant coaxial avec l'axe de l'injecteur de carburant, l'injecteur de carburant ayant un ou plusieurs 70 passages de carburant pour injecter du carburant dans le conduit d'air, le brûleur de carburant ayant des moyens de localisation à l'extrémité adjacente à l'injecteur de carburant, les moyens de localisation étant agencés pour s'engager avec des moyens de localisation correspondants sur un composant de moteur. Inconvénients de l’art antérieur

Le problème posé par les solutions de l’art antérieur concerne les turbines présentant une chambre de combustion isolée de l’extérieur par une double paroi, deux parois définissant un conduit annulaire pour la circulation d’un flux d’air comprimé issue du compresseur et la troisième paroi étant la paroi extérieure de la chambre de combustion, permettant la circulation du même flux d’air réchauffé préalablement à la traversée d’un échangeur thermique. Le ou les injecteurs doivent traverser les trois parois de manière étanche ou à tout le moins avec une fuite contrôlée. Cela se traduit par un montage hyperstatique qui ne permet pas d’absorber les dilatations thermiques longitudinales de l’injecteur, ni les dilatations thermiques radiales et longitudinales des parois métalliques soumises à des températures fortement différenciées.

Par ailleurs, dans la solution décrite dans le brevet US4453384, l’injecteur traverse les parois de la chambre de combustion par des trous simples, référencés 38, 48 et 52. Ce document de l’art antérieur propose de positionner l’injecteur coaxialement à l'intérieur de chacun des trous coaxiaux 52, 48 et 38 prévus dans le boîtier 50. Cette solution conduit donc à de multiples inconvénients : d’une part, la dilatation radiale de l’injecteur est différente de la dilatation surfacique des parois, ce qui conduit soit à des fuites entre la périphérie de l’injecteur et le bord des trous de passage dans la paroi, soit à des serrements du bords des trous autour de la paroi de l’injecteur, ce qui limite les possibilités de déplacement radiaux et peut conduire à des déformations et à une fatigue des parois.

Solution apportée par l’invention

Afin de répondre à ce problème, la présente invention concerne une chambre de combustion d'une turbomachine, entourée de deux parois de révolution coaxiales s'étendant l'une à l'intérieur de l'autre et délimitant entre elles un espace annulaire de circulation d’air, et un second espace de circulation d’air délimité par la paroi de révolution de plus petit diamètre et la paroi extérieure de la chambre de combustion, et un au moins un injecteur traversant lesdites parois par des lumières, caractérisée en ce que l’injecteur comporte un tube périphérique relié auxdites parois par trois liaisons, deux liaisons au moins étant des liaisons souples étanches permettant un débattement multidirectionnel, par exemple de type glissière ou/et de type rotule ou de type soufflet.

On entend par « soufflet » au sens du présent brevet une enveloppe étanche, déformable au moins axialement et radialement, et optionnellement en torsion ou en basculement.

Selon des variantes de réalisation :

- l’une seulement desdites trois liaisons est constituée

- la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intérieure est constituée par une liaison linéaire annulaire avec une fuite contrôlée par section annulaire calibrante

- la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intermédiaire est constituée par un soufflet

- la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi extérieure du fourreau est constituée par un soufflet

- la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intermédiaire du fourreau est constituée par une liaison rotule et la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi extérieure du fourreau est constituée par une liaison rotule glissante

- la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi extérieure du fourreau est constituée par une liaison rotule glissante et la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intermédiaire du fourreau est constituée par une liaison rotule.

- la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intermédiaire du fourreau est constituée par une liaison présentant plusieurs degrés de liberté pour permettre un déplacement axial et un déplacement tangentiel du tube, et une tolérance pour un rotulage et en ce que la liaison entre ledit tube périphérique et la paroi extérieure du fourreau est constituée par assemblage étanche rigide.

L’invention concerne aussi une turbine présentant une telle chambre de combustion. Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins annexés où :

- la figure 1 représente une vue en coupe d’une turbomachine selon l’invention

- les figures 2 à 8 représentent des vues schématiques de différentes variantes de réalisation.

Description de l’échanqeur

La figure 1 représente une vue en perspective de la turbomachine, comprenant un échangeur (1 ), un compresseur (2), une chambre de combustion (3) et une turbine (4). Un déflecteur conique (1 1 ) coaxial avec l’échangeur (1 ) fait circuler les gaz chauds issus de la turbine (4) en direction d’une sortie d’évacuation (12) après avoir traversé l’échangeur (2), en traversant deux cassettes (5, 6) entre les tubes.

Les parties constituées par le compresseur (2), la chambre de combustion (3) et la turbine (4) sont connues de l’homme du métier, et conformes à l’état des connaissances en matière de turbomachines.

L’échangeur (2) est constitué par un échangeur à tubes, comprenant deux cassettes annulaires (5, 6) coaxiales.

La cassette extérieure (5) est constituée par un assemblage de tubes parallèles, en alliage métallique résistant aux hautes températures, par exemple de l’acier inoxydable réfractaire 347.

A titre d’exemple, cette cassette extérieure (5) est constituée de 2000 tubes d’une longueur de 300 millimètres, d’une section intérieure de 2,8 millimètres et de section extérieure de 3 millimètres. Les tubes sont maintenus de manière connue par des intercalaires pour définir des passages des gaz chauds provenant de la turbine.

Les tubes forment un manchon d’un rayon extérieur de 158 millimètres et d’un rayon intérieur de 128 millimètres. La cassette intérieure (6) est constituée de 2000 tubes d’une longueur de 300 millimètres, d’une section intérieure de 2,8 millimètres et de section extérieure de 3 millimètres.

Les tubes forment un manchon d’un rayon extérieur de 123 millimètres et d’un rayon intérieur de 67 millimètres.

Les deux cassettes (5, 6) sont coaxiales et encastrée l’une dans l’autre.

Ces deux cassettes (5, 6) sont réunies, à l’extrémité opposées au compresseur (1 ), par une structure de fermeture annulaire (8).

Chacune des cassettes (5, 6) comporte, à chaque extrémité, une plaque d’étanchéité frontale percée pour le passage des tubes, et assurant l’entraxe constant des tubes. Les tubes sont brasés ou soudés pour assurer l’étanchéité au niveau de leur raccordement avec les plaques frontales.

Cette structure de fermeture (8) est constituée de deux pièces coaxiales emboîtées, présentant la forme générale d’un moule à baba au rhum, en acier inoxydable réfractaire 347 d’une épaisseur de 2 millimètres.

La pièce extérieure (9) présente une section extérieure correspondant à la section extérieure de la cassette extérieure (5) et une section intérieure correspondant à la section intérieure de la cassette intérieure (6).

La pièce intérieure (10) présente une section extérieure correspondant à la section intérieure de la cassette extérieure (5) et une section intérieure correspondant à la section extérieure de la cassette intérieure (6).

Chacune des pièces (9, 10) présente une symétrie de révolution selon l’axe de la turbomachine, avec une section longitudinale constante.

La structure de fermeture (8) assure la déflexion des gaz provenant de la cassette extérieure (5) vers les tubes constituant la cassette intérieure (6). Cette solution assure un double passage des gaz dans l’échangeur (1 ), ce qui augmente significativement son efficacité thermique pour un encombrement, et notamment une longueur, donné.

La chambre de combustion (3) de type annulaire présente une double- enveloppe intérieure formée par un fourreau (30) (« liner » en anglais ») et une paroi (31 ). Le fourreau (30) et la paroi (31 ) définissent un volume tubulaire de circulation du flux d’air issue de l’échangeur (1 ). Une paroi extérieure (32) et la paroi 31 définissent un volume tubulaire de circulation d’air issue du compresseur (2) et allant vers l’échangeur (1 ).

L’injecteur (35) traverse ces trois parois (30 à 32) à travers trois lumières. Les parois (30 à 32) ainsi que le tube (35) de l’injecteur sont soumis à des dilatations longitudinales et radiales. La fixation est assurée par une combinaison de liaisons évitant les situations hyperstatiques.

La liaison entre le tube (35) de l’injecteur et la paroi extérieure (32) est assurée par un soufflet (36) cylindrique.

La liaison entre le tube (35) de l’injecteur et la paroi intérieure (30) est assurée par un liaison glissière formée par une lumière calibrée définissant avec la surface extérieure du tube (35) un jeu annulaire calibrée.

La liaison entre le tube (35) de l’injecteur et la paroi intermédiaire (31 ) est assurée par une liaison fixe.

Première variante de réalisation

La première variante de réalisation est illustrée schématiquement par la figure

2.

Le tube (35) de l’injecteur traverse les trois parois (30 à 31 ), avec des liaisons respectivement : Une liaison rotule (42) pour le passage à travers la paroi extérieure

(32)

Une liaison rotule-glissière (41 ) pour le passage à travers la paroi intermédiaire (31 )

Une liaison libre avec un jeu périphérique calibré (40) pour le passage à travers la paroi intérieure (30).

Deuxième variante de réalisation

La deuxième variante de réalisation est illustrée schématiquement par la figure

3.

Le tube (35) de l’injecteur traverse les trois parois (30 à 31 ), avec des liaisons respectivement :

Une liaison rotule-glissière (52) pour le passage à travers la paroi extérieure (32)

Une liaison rotule (51 ) pour le passage à travers la paroi intermédiaire (31 )

Une liaison libre avec un jeu périphérique calibré (50) pour le passage à travers la paroi intérieure (30).

Troisième variante de réalisation

La troisième variante de réalisation est illustrée schématiquement par la figure 4.

Le tube (35) de l’injecteur traverse les trois parois (30 à 31 ), avec des liaisons respectivement :

Un soufflet (62) pour le passage à travers la paroi extérieure (32) Une liaison soudée (61 ) pour le passage à travers la paroi intermédiaire (31 )

Une liaison libre avec un jeu périphérique calibré (60) pour le passage à travers la paroi intérieure (30).

Quatrième variante de réalisation La quatrième variante de réalisation est illustrée schématiquement par la figure 5.

Le tube (35) de l’injecteur traverse les trois parois (30 à 31 ), avec des liaisons respectivement :

Une liaison soudée (72) pour le passage à travers la paroi extérieure (32)

Un soufflet tronconique métallique (71 ) pour le passage à travers la paroi intermédiaire (31 )

Une liaison libre avec un jeu périphérique calibré (70) pour le passage à travers la paroi intérieure (30).

Cinquième variante de réalisation

La cinquième variante de réalisation est illustrée schématiquement par les figures 6 à 8.

Le tube (35) de l’injecteur traverse les trois parois (30 à 31 ), avec des liaisons respectivement :

Une liaison soudée (72) pour le passage à travers la paroi extérieure (32)

Une liaison multidirectionnelle (80) pour le passage à travers la paroi intermédiaire (31 )

Une liaison libre avec un jeu périphérique calibré (70) pour le passage à travers la paroi intérieure (30).

La liaison entre ledit tube périphérique et la paroi intermédiaire (31 ) du fourreau est constituée par une liaison (80) présentant plusieurs degrés de liberté pour permettre un déplacement axial et un déplacement tangentiel du tube, et une tolérance pour un rotulage.

La liaison entre le tube périphérique (30) et la paroi extérieure (32) du fourreau est constituée par assemblage étanche rigide. La paroi extérieure (32) est traversée par un presse-étoupe (37) dans lequel est inséré la tête (38) de la buse (35). Cette tête (38) présente une collerette discale (38) engagée entre les deux parties du presse-étoupe (37) qui assure un serrage et une étanchéité de cette collerette discale (38).

L’extrémité intérieure (40) traverse la paroi intérieure (30) par le passage dans un simple trou formé dans la paroi (30). Ce trou est oblong dans le cas d’espèce, pour prendre en compte l’inclinaison de l’axe de la buse (35) par rapport à l’axe radial.

La liaison entre la buse (35) et la paroi intermédiaire (31 ) est réalisée par une pièce présente une partie supérieure (41 ) conique évasée vers l’extérieur, prolongée à sa base par une collerette discale (42) mobile en translation radiale dans une fente (42) formée dans la tête (44) d’un prolongement tubulaire (43) soudé à la surface de la paroi intérieure (30).

La collerette discale (42) est flexible, ce qui permet par ailleurs un léger rotulage par rapport à ce prolongement tubulaire (43).