Brevet FR2475113A1 — publié le 19810807

La présente invention concerne les céramiques ré- sistant aux températures élevées et ayant une grande ré- sistance mécanique et plus précisément des rotors céramiques légers, résistants à température élevée et de grande résis- tance mécanique, destinés à des turbines à gaz. Les rendements nominaux des ensembles moteurs sont devenus l'une des caractéristiques les plus importantes pour la mise au point des ensembles moteurs modernes. Des études ont montré clairement que les rendements nominaux des tur- bines à gaz pouvaient être fortement accrus lorsque les produits de combustion pouvaient frapper une roue de turbine à des températuresmaximales. Cependant, les gaz de combus- tion nécessaires à l'obtention du rendement maximal dans les turbines à gaz ont une température de l'ordre de 13700C qui est bien supérieure aux limites fixées aux températures de fonctionnement des superalliages actuellement connus. On a déterminé que, si l'on devait utiliser les superalliages, non seulement on rencontrerait un problème de poids mais encore l'ensemble devrait comprendre des circuits complexes de refroidissement. Ce refroidissement permettrait l'uti- lisatior de ces superalliages; cependant, la température plus faible réduirait le rendement global de l'ensemble. On s'est rendu compte qu'une solution plus com- mode en pratique de ce problème d'antagonisme entre la température et le rendement serait l'utilisation de cé- ramiques capables de supporter des températures élevées. Cependant, contrairement aux superalliages, les cérami- ques sont extrêmement fragiles et cette propriété a rendu jusqu'à présent leur utilisation presqu'impossible dans les cas d'application de contraintes élevées. Comme les matières céramiques n'ont que des résistances modérées à la traction et sont très sensibles à tous les défauts lors- qubn les utilise de cette manière, par exemple comme ailet- tes d'un rotor d'une roue rotative de turbine, tout défaut de la structure provoque une destruction de l'ailette du rotor céramique ainsi qu'une destruction finale du rotor lui-même. Contrairement à cette faible résistance à la traction, la résistance à la compression des céramiques est de l'ordre de 10 fois la résistance présentée à la traction. En conséquence, il semble souhaitable de maintenir les élé- menrs céramiques d'un rotor de turbine sous compression et non pas sous tension pendant le cycle d'utilisation de la turbine. L'invention concerne un rotor axial céramique pour turbine à gaz qui comporte un moyeu métallique ou cé- ramique fixé à une roue comprenant une rangée interne d'aubes de turbine de détente et une rangée externe de pales de compression d'air, séparées l'une de l'autre par un bandage intermédiaire. Les pales du compresseur d'air ont aussi un bandage externe. Un filament ayant une structure composite possédant un rapport élevé de la résis- tance mécanique à la masse, comprenant un filament de modu- le élevé imprégné d'un polymère résistant à température élevée, est enroulé autour du bord extérieur de l'ensemble. L'invention concerne donc un rotor céramique pour turbine à gaz, capable de maintenir tous les éléments céra- miques en compression lors du fonctionnement. Elle concerne aussi un rotor de turbine à gaz capable de supporter des températures élevées. Elle concerne aussi un rotor céramique pour tur- bine à gaz qui a un faible poids. Elle concerne aussi un tel rotor qui possède une résistance mécanique élevée. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, fai- te en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une perspective du rotor céra- mique de turbine à gaz - la figure 2a est une vue en plan du rotor c - ramique pour turbine à gaz de la figure l; - la figure 2b est une coupe partielle suivant la ligne 2b-2b de la figure 2a; - la figure 3 est une perspective d'un élément du rotor céramique pour turbine à gaz selon l'invention;et - la figure 4 est une coupe schématique illustrant un cycle de fonctionnement d'une turbine à gaz. Les figures 1 à 2b représentent un rotor axial céramique pour turbine à gaz, portant la référence 10 et formé de nitrure de silicium, de carbure de silicium, de "Sialon" ou d'une céramique analogue ayant une résistance mécanique élevée. Le rotor 10 comprend normalement un moyeu céramique ou métallique 12 fixé à une roue céramique 14. Cette dernière a en outre une rangée interne d'aubes 16 de turbine de détente et une rangée externe de pales 18 de compresseur d'air, séparées l'une de l'autre par un bandage médian 20. Les pales 18 du compresseur ont aussi un bandage externe 22. Un filament ayant une structure com- posite possédant un rapport élevé de la résistance mécanique à lamasse est enroulé sur le bord externe 23 du bandage ex- terne 22, cette structure comprenant un filament de module élevé imprégné d'un polymère résistant à température élevée. La structure composite forme un anneau 24 contre lequel les éléments céramiques sont comprimés lors de la rotation du rotor. Il est essentiel à cet effet que les pales froides 18 du compresseur d'air se trouvent à l'extérieur par rap- port à la partie chaude des aubes 16 de la turbine de dé- tente étant donné que la partie formant compresseur d'air ne constitue qu'un étage de compression, dans le cycle du moteur à turbine à gaz et, en coopération avec l'air admis, forme une barrière thermique protégeant la structure de l'anneau 24 formé du filament enroulé contre les tempéra- tures élevées de la partie de détente. Des structures composites contenant un filament enroulé, mettant en oeuvre comme liant des polymères orga- niques, ont une température maximale d'utilisation de 315*C environ. Les fuites provenant de la partie de détente, par le joint qui se trouve au niveau du bandage médian 20, ne provoquent pas une rupture du rotor 10 mais seulement une légère augmentation des températures de l'air introduit dans le brûleur. Des matières céramiques de résistance mécanique élevée telles que le nitrure de silicium sont nécessaires pour l'utilisation des températures élevées d'admission de la turbine telles que 13700C, permettant une augmentation du rendement des moteurs à turbine à gaz. Un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible, et la résis- tance mécanique élevée présentée par le nitrure de silicium sont aussi des propriétés essentielles pour la matière du rotor étant donné les gradients élevés de température dus à cette conception. Le rotor dans son ensemble peut être sous forme d'un rotor céramique monolithique 10 comme représenté sur la figure 1, autour duquel la structure composite convena- ble est enroulée, et qui est fixé par un moyeu 12 à l'arbre 26 ou qui peut être monté à partir de tronçons céramiques- en forme de tranches comme représenté sur la figure 3. Ces tronçons individuels sont mis sous forme d'une roue et le filament est enroulé sur le bandage externe. La partie centrale est maintenue en compression et est fixée à l'ar- bre 26 par un moyeu 12 comme indiqué sur la figure 2b. La possibilité de la construction d'un tel rotor original à partir d'éléments individuels, comme représenté sur-la fi- gure 3, permet la réalisation de rotors céramiques 10 de plus grande dimension que ceux qui peuvent être fabriqués sous forme monolithique, étant donné l'état actuel de la technologie dans le domaine céramique. En outre, les élé- ments céramiques plus petits peuvent être réalisés et éprouvés de façon moins coûteuse et à un moindrerisque qu'un élément monolithique de grande dimension. Le rotor selon l'invention non seulement peut supporter des températures élevées mais est encore extrê- mement léger. Le nitrure de silicium, le carbure de sili- cium, le "Sialon", etc. ont une masse volumique d'environ 3,0 à 3,8 g/cm3, par rapport à celle d'environ 8 g/cm3 d'un superalliage classique. La figure 4 représente un exemple de cycle d'un moteur à turbine à gaz, correspondant à une disposition- possible des principaux éléments. REVENDICATIONS 1. Rotor céramique pour turbine, caractérisé en ce qu'il comprend un moyeu (12) destiné au montage du rotor sur un arbre (26), une roue céramique qui comporte une rangée interne d'aubes (16) de détente, une rangée externe de pales (18) de compres- seur, un bandage médian (20) destiné à isoler les aubes des pales, et un bandage externe (22) disposé circonféren- tiellement afin qu'il empêche le gaz de s'échapper vers l'extérieur du rotor, et un anneau composite (24) à filament enroulé, dis- posé circonférentiellement autour du bandage externe afin qu'il assure l'application d'une force de compression aux éléments céramiques pendant la rotation. 2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyeu (12) est métallique. 3. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyeu (12) est céramique. 4. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la céramique est choisie dans le groupe qui comprend le nitrure de silicium, le carbure de silicium et le "Sialon".