Brevet FR2456836A1 — publié le 19801212

La présente invention se rapporte à une tuyère de turbine qui est située entre la chambre de combustion et la roue de turbine d'une turbine à gaz ; elle vise, plus particulièrement, une tuyère composite comportant des ailettes métalliques de structure et des ailettes céramiques de guidage de gaz, afin de réduire les besoins en air de refroidissement de la tuyère et de permettre un fonctionnement de la tuyère à des températures plus élevées avec moins dt air de refroidissement. Dans le type connu de turbine à gaz habituellement appelé turbojet, l'air est comprimé dans un compresseur rotatif et chauffé dans la chambre de combustion, puis détendu à travers une turbine à gaz qui ne fournit pas de puissance en excès, au-dessus de celle qui est nécessaire pour l'entrainement du du compresseur. Afin d'aug- menter l'énergie disponible dans le cycle de température, et par suite la poussée et le rendement du moteur, on a essayé d'augmenter la température d'entréede la turbine, puisque la puissance utile d'un moteur à turbine est directement fonction de la température d'entrée de la turbine et qu'il en est de méme pour le rendement du moteur à turbine.Pour obtenir un fonctionnement plus efficace, c'est-à-dire une température de cycle plus élevée et par suite des valeurs de poussée plus grandes pour un moteur de dimension donnée, on a proposé d'utiliser des techniques plus complexes de refroidissement des ailettes, permettant des températures plus élevées à 1 entrée de la turbine. Avec de telles techniques, les températures des ailettes de turbine et des aubages de rotor peuvent atteindre dessaleurs telles qu'on reste dans les limites de résistance à la chaleur ou à l'oxydation des matières métalliques. A défaut de disposer complètement de tels procédés de refroidissement, on a recours à des matières et à des méthodes de construction perfectionnées pour les aubages ou les ailettes. On a utilisé, dans l'art antérieur, des matières céramiques pour la fabrication d'aubages et ailettes, puisque les matières céramiques ont la propriété de résister à des températures sensiblement plus élevées que les alliages réfractaires connus. En particulier, on a utilisé des matières céramiques pour le bord d' entrée des ailettes de guidage de gaz de turbine, où la température est toujours la plus élevée et/ou le refroidissement est très difficile parce que l'admission de chaleur est également plus grande au bord d'entrée. D'autre part, l'utilisation des matières céramiques présente certaines difficultés, par exemple du fait que les matières céramiques n'ont pas la mdme résistance à la traction que les matières métalliques et aussi parce qu'elles ont en gén8- ral une ductilité relativement faible et par suite une tendance à la fissuration sous l'effet des chocs thermiques forts ou brusques, ou des contraintes qui peuvent se produire dans des turbines à gaz. Jusqu'à présent, les tentatives d'utilisation de matières métalliques et céramiques, combinées dans la construction d'une tuyère pour turbine à gaz, ont été basées sur le principe qu'une partie de chaque surface à profil mince est formée d'une matière céramique,tandis que la partie de structure restante est en matière métallique. Un tel dispositif est décrispas exemple dans le brevet US nO 3 658 233, suivant lequel un revOtement céramique est appliqué à un élément à profil mince, utilisable dans une turbine à gaz. On peut également se référer à un article intitulé "La turbine à gaz céramique a un avenir prometteur", publié dans Iron Age, pages 37, 38 et 39 du 1er Mars 1976, qui suggère un stator pour roue de turbine en céramique obtenue par moulage par injection de la céramique, puis frittage. Toutefois, aucun des procédés connus n'apporte de solution satisfaisante à la combinaison des avantages de la céramique et deeechniques actuelles de fabrication d'armatures ou enveloppes métalliques et d'éléments à profil mince, permettant à ces matériaux une association harmonieuse, pour tirer le meilleur parti de leurs caractéristiques respectives, sans compromettre leurs propriétés de résistance structurellbu de dissipation de chaleur.La présente invention évite les inconvénients ci-dessus et permet d' obtenir une tuyère à structure composite, utilisable dans une turbine à gaz, qui diminue les besoins en air de refroidissement et admet des températures plus élevées avec moins d'ait de refroi dissementJ L'invention a pour objet une tuyère de turbine formée d'éléments à structure composite de métal et de céramique. L'invention a pour avantages de diminuer le prix de revient, par réduction du nombre d'ailettes refroidies qui sont nécessaires dans la tuyère de turbine, tout en respectant les tolérances dimensionnelles, par utilisation d'un nombre suffisant d'ailettes métalliques entre les structures ou enveloppes métalliques intérieure et extérieure qui ne sont pas reliées par d'autres moyens. L'invention vise également une tuyère de turbine dans laquelle les ailettes métalliques, ou une partie de ces ailettes, sont situées dans les zones à plus basse température du passage d'entrée de la tuyère. D'autres objets et avantages de l'invention apparaitront aux hommes de l'art à la lecture de la présente description. Dans une forme de réalisation, la tuyère composite suivant l'invention, utilisable dans une turbine à gaz, comporte une enveloppe métallique extérieure et une enveloppe métallique-intérieure interconnectées par une pluralite d'ailettes métalliques qui les rendent solidaires. thie pluralité d'ailettes en céramique sont intercalées entre les ailettes métalliques et sont disposées entre l'enveloppe extérieure et l'enveloppe intérieure.De cette façon, les besoins en air de refroidissement pot le passage d'entrée à haute température vers la turbine à gaz peuvent titre réduits, ou on peut admettre des température s d'entrée plus élevées sans -air de refroidissement supplémentaire. On réalise des économies,puisque le nombre par moteur d'ailettes refroidies est sensiblement diminué, et les ailettes métalliques qui constituent la structure peuvent autre placées sélectivement dans les zones à plus basse température de l'entrée de la tuyère. De plus, l'emploi d'ailettes métalliques permet d'obtenir une continuité de structure métal sur métal entre les enveloppes intérieure et extérieure et par suite une bonne détermination dimensionnelle.Les ailettes én céramique sont fixées aux enveloppes par des attaches élastiques, de sorte que ces ailettes n'ont pas à supporter les déplacements axiaux des enveloppes. Ainsi, les ailettes en céramique peuvent titre d'une conception simple et monobloc. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de sa forme de réalisation, non limitative, représentée sur les dessins annexés. Fig. 5 est une coupe d'une partie de tuyère pour turbine à gaz suivant l'art antérieur. Fig. 2 est une vue isométrique partielle d'une coupe d'une tuyère de turbine suivant l'invention. Fig. 3 est une vue isométrique partielle d'un segment de stator pour une tuyère suivant l'invention, et Fig. 4 est une coupe d'une ailette mdtallique-dans une tuyère de turbine suivant l'invention. La figure 1 illustre la construction suivant l'art antérieur, décrite dans le brevet US nO 3 619 077, dans laquelle un bord d'entrée 10 en céramique est prévu sur un corps 12 d'une ailette de stator à profil mince, disposée entre une plaque de protection 14 d'une enveloppe extérieure 16 et une plaque de protection 18 d'une enveloppe intérieure 20 d'une turbine à gaz. La plaque extérieure 16 et la plaque intérieure 18 délimitent une tuyère de turbine pour une chambre de combustion, non représentée, débouchant vers une roue de turbine dont une aube 22 est représentée.Afin d'engendrer la force désirée, 11 ailette de stator, composée du bord d'entrée 10 et du corps 12 dévie l'écoulement de la tuyère de fa çon à exercer une force de rotation sur les aubes 22 de la roue de turbine. Du fait de cette disposition, les ailettes de stator sont exposées à des gaz à très haute température. Pour obtenir une durée de vie convenable, on a proposé de remplacer les ailettes entièrement métalliques par une structure composite de céramique et de métal. De plus, le corps métallique comporte des orifices pour recevoir de l'air de refroidissement venant d'un passage 24 et s'échappant dans un passage 26, d'où il est en général dirigé à travers la roue de turbine vers le conduit d'échappement de la turbine à gaz.Suivant l'art antérieur, on peut également réaliser l'ailette complète avec des rondelles en céramique entre lesquelles des cales sont interposées pour obtenir le profil désiré d'ailette de stator, Ces ailettes sont montées entre les enveloppes de la tuyère au moyen d'une tige creuse, pour permettre à l'air de refroidissement de s'écouler à travers la structure en céramique de la mdme façon que dans le corps en métal. Les figures 2 à 4 représentent la nouvelle tuyère composite pour turbine, suivant la présente invention. On voit, sur la figure 2, que cette tuyère comprend une pluralité d'ailettes 30 ob- tenues à partir d'une composition céramique et disposées de chaque côté d'une ailette 32 entièrement métallique, entre une enveloppe métallique extérieure 34 et une plaque métallique intérieure 36 fixée à une enveloppe intérieure 38 par des moyens non représentés, L' enveloppe 38 comporte une pluralité de trous 40 permettant d'envoyer de 11 air de refroidissement dans l'ailette métallique 32, d'où cet air s'échappe par des orifices 44 de la surface de l'ailette. On voit, sur la figure 4, que chaque ailette métallique 32 comporte également, dans son bord de sortie, des orifices 48 pour l'échap- pement de l'air de refroidissement. On voit, sur la figure 3, qu' une attache élastique 50 est fixée à la plaque 36 et permet de maintenir en position l'ailette en céramique 30e Des moyens semblables peuvent etre utilisés pour la jonction de l'ailette à l'enveloppe extérieure. On voit que la présente invention permet d'obtenir une tuyère composite en métal et céramique qui diminue les besoins en air de refroidissement et admet des températures plus élevées avec moins d'air de refroidissement. On obtient également une diminution du prix, par réduction du nombre des ailettes métalliques refroidies qui sont nécessaires dans la tuyère, tout en respectant les tolérances dimensionnelles, par utilisation d'un nombre suffisant d'ailettes métalliques entre les structures des enveloppes métalliques intérieure et extérieure qui ne sont pas reliées par d'autres moyens. On peut également améliorevcette disposition en pla çant les ailettes métalliques, ou une partie de ces ailettes, dans les zones à plus basse température de l'écoulement venant de la chambre de combustion, à l'entrée de la tuyère. L'invention permet en outre de mieux tirer parti de la flexibilité des enveloppes métalliques intérieure et extérieure, par une réduction des charges transmises aux ailettes par ces enveloppes. Enfin, comme les ailettes métalliques 32 maintiennent la position axiale des enveloppes, les ailettes 30 en céramique n'ont pas à absorber des déplacements axiaux. Par suite, contrairement à l'art antérieur, dans lequel on utilise des rondelles pour former les ailettes en céramique, les ailettes en céramique de la présente invention peuvent dtre de conception simple et monobloc. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Tuyère pour turbine à gaz, placée entre une chambre de combus tion et une roue de turbine, qui comprend une enveloppe exté rieure (34), une enveloppe intérieure (38) et une pluralité d' ailettes en céramique (30) montées entre l'enveloppe extérieure et l'enveloppe intérieure, caractérisée en ce qu'une pluralité d'ailettes métalliques (32) sont intercalées entre les ailettes en céramique (30), rendant solidaires l'enveloppe extérieure et l'enveloppe intérieure0 2. Tuyère suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'admission d'un fluide (40) de refroidisse ment dans les ailettes métalliques. 3. Tuyère suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens d'admission (40) de fluide de refroidissement comprennent et un passage prévu dans l'enveloppe intérieure (38)/aboutissant à une chambre qui débouche dans une partie intérieure creuse des ailettes métalliques (32). 4. Tuyère suivant la revendication 3, caractérisée en ce que les dites ailettes (32) comportent des passages (44) reliant ladite partie intérieure creuse à leur surface dans la tuyère, pour permettre l'échappement du fluide de refroidissement. 5. Tuyère suivant lune quelconque des revendications précédentes, qui comprend une enveloppe extérieure (34), en alliage métalli que prédéterminé,eomportant des moyens de fixation, une envelop pe intérieure (38) en métal semblable, comportant un passage intérieur et des moyens de fixation, et une pluralité d'ailettes (32), également en métal semblable à celui de l'enveloppe ex térieure, reliant l'enveloppe intérieure et'enveloppe extérieu re et comportant une partie intérieure creuse raccordée au pas sage de l'enveloppe intérieure, caractérisée en ce qu'une plu ralité d'ailettes monobloc pleines (30), en céramique, sont mon tées entre l'enveloppe extérieure et l'enveloppe intérieure, de façon à permettre des déplacements axiaux de ces enveloppes lors de l'écoulement d'un fluide à haute température dans la tuyère, les dites ailettes en céramique (30) étant intercalées entre les ailettes métalliques (32). 6. Tuyère suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les ailettes métalliques comportent des orifices d'échappement (44, 48) de leur air de refroidissement. 7. Tuyère suivant une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les ailettes en céramique (30) sont intercalées entre les ailettes métalliques, sans jonction rigide à la structure mé tallique. 8. Tuyère suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les ailettes en céramique (30) traversent l'enveloppe extérieure (34) et l'enveloppe intérieure (38). 9. Tuyère suivant la revendication 8, caractérisée en ce que des attaches élastiques (50), fixées à l'enveloppe extérieure (34) et à l'enveloppe intérieure (38) maintiennent par frottement is ailettes en céramique, sans fixation rigide, de façon à ne pas transmettre aux ailéttes les efforts engendrés dans la struc ture métallique. 10.Tuyère suivant la revendication 9, caractérisée en ce que la structure métallique comporte des moyens de circulation d'un fluide de refroidissement dans les ailettes et d'évacuation de ce fluide.