Brevet FR2490721A1 — publié le 19820326

La présente invention concerne les turbomachines et plus particulièrement une turbomachine dont les aubages mo- bile et fixe sont protégés thermiquement par des carapaces en céramique pour fonctionner à des températures élevées. Afin d'améliorer le rendement et de réduire la consommation en carburant des turbomachines,telles que des pompes ou turbines, il a été proposé de faire tourner les tur- bines à de hautes températures d'entrée. Des températures d'entrée supérieures à 1 3160C sont théoriquement souhaitables. Cependant, ces températures sont très supérieures à celles que peuvent supporter même- les métaux à haute résistance les plus perfectionnés sans nécessiter des techniques de refroidisse- ment complexes et coûteuses. Les céramiques haute température sont les plus capables de satisfaire aux conditions de l'ap- plication de températures d'entrée élevées sans nécessiter une technique complexe de refroidissement. Malheureusement, les céramiques sont de nature fragile. De plus, les frais de fa- brication d'éléments de turbine en céramique sont élevés, étant donné que le procédé antérieur de production d'éléments profilés de dimensions précises et de grande résistance a né- cessité un pressage à chaud et un meulage. En conséquence, des années de recherche et d'énormes sommes d'argent ont été dé- pensées pour définir et minimiser les contraintes de tension dans les céramiques et pour mettre au point des procédés per- fectionnés de fabrication d'éléments de turbine en céramique. Il a été également proposé des éléments en céramique pour sur- monter l'abrasion et l'érosion par des substances telles que des suspensions de houille. Des rotors et des aubages en cé- ramique ont été.réalisés et essayés; cependant ils sont su- jets à des contraintes de tension sous l'effet des forces cen- trifuges et sont donc très sujets à une défaillance. La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l'art antérieur et propose des procédés et appareillages perfectionnés dans lesquels des carapaces ou manchons calorifuges sont réalisés en matières céramiques, tandis que des métaux sont utilisés pour conférer la résis- tance mécanique nécessaire à l'encontre de la tension résul- tant des forces centrifuges, les carapaces en céramique étant fixées au structures métalliques calorifugées de manière que les carapaces en céramique ne soient soumises qu'à une com- pression par les forces centrifuges. De plus, il a été mis au point des techniques de moulage par injection qui permettent de fabriquer les éléments en céramique à peu de frais et en grandes quantités avec une très grande uniformité et des ca- ractéristiques remarquables de résistance mécanique,de densité et de fini superficiel.même dans le cas de configurations complexes. En conséquence, la présente invention à pour objet des éléments de turbine perfectionnés qui peuvent sup- porter des températures d'entrée supérieures à 1 316'C environ, ainsi que des procédés et appareillages permettant d'utiliser des matières céramiques pour réaliser des composants de turbo- machine. - La présente invention a particulièrement pour objet des composants d'une turbomachine présentant des cara- paces ou manchons calorifuges en matières céramiques qui ne sont soumis qu'à des forces de compression et qui entourent des éléments métalliques qui confèrent la résistance nécessai- re aux forces centrifuges et de tension. L'invention sera décrite plus en détail en re- gard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limita- tifs et sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement des com- posants en céramique d'une turbomachine de l'art antérieur; la figure 2 est une coupe d'une partie de la roue mobile d'une turbine dont les ailettes sont protégées conformément à la présente invention; la figure 3 est une coupe transversale d'une par- tie de la roue mobile de la turbine de la figure 2; la figure 4 est une coupe horizontale de-l'une des ailettes de la turbine de la figure 2: la figure 5 est une coupe horizontale d'une variante de l'aube de la turbine de la figure 2; et la figure 6 est une vue éclatée de l'aube de la 249072' turbine de la figure 2. Afin de satisfaire aux conditions de température élevée et d'érosion des turbomachines modernes, l'art antérieu: a proposé de réaliser des éléments en céramique, comme la roue mobile d'une turbine qui est désignée d'une façon générale par 2 sur la figure 1. La roue mobile 2 en céramique d'une turbine de l'art antérieur comprend notamment plusieurs ailettes 4 qui font corps avec le moyeu 6 de la turbine, comme indiqué en 8 ou qui peuvent être des éléments rapportés amovibles présentant des emplantures 10 qui sont logées dans des encoches appropriéE 12 ménagées dans le moyeu 6. Toutefois, lorsque la roue mobile 2 est mise en rotation, il est évident que la force centrifuge impose une tension aux ailettes 4 comme indiqué par la flèche 14. Etant donné que les matières céramiques sont fragiles et sont particulièrement sujettes à une défaillance sous l'effet d'une tension, ces composants en céramique d'une turbomachine de l'art antérieur n'ont pas donné satisfaction. Les figures 2 à 4 représentent une roue mobile de turbine, désignée d'une façon générale par 16, qui est réa- lisée selon l'invention et présente un moyeu métallique 18 sup- portant plusieurs ailettes composites désignées d'une façon générale par 20. Chacune des ailettes 20 comprend une carapace 22 en céramique qui présente une configuration externe aéro- dynamique appropriée, comme on le voit en particulier sur la figure 4, entourant un noyau métallique 24 qui est fixé au moyeu 18 comme indiqué sur la figure 3. La carapace 22 est fi- xée au noyau 24 par une calotte métallique 26. Le noyau 24 peut faire corps avec le moyeu 18, comme indiqué en 28 sur les figures 2 et 3 ou bien il peut être fixé au moyeu 18 par un moyen approprié comme une emplanture 30 représentée sur la fi- gure 2. Egalement, la calotte 26 peut être d'un seul tenant avec le noyau 24, comme indiqué en 32 sur la figure 2,ou bien elle peut être fixée au noyau 24 par un moyen convenable de retenue tel qu'une liaison ou soudure 34. Avec cette structure, lorsque la roue mobile 16 est mise en rotation, les carapaces 22 en céramique sont sollicitées contre la calotte 26 par une force F et les forces de tension sont supportées par les noyaux métalliques 24 et les calottes 26. Ainsi, les carapaces 22 en céramique ne sont soumises qu'à des forces de compression, ce qu'elles supportent parfaitement. Il est bien entendu que les gaz chauds qui en- S trainent la roue mobile 16 de la turbine passent d'une façon classique par des conduits d'entrée et de sortie (non repré- sentés),de façon que les gaz chauds entrent en contact avec l'ailette 20 dans la région indiquée par 36 sur la figure 3. Ainsi, les carapaces 22 en céramique calorifugent ou isolent thermiquement les noyaux 24. - Eventuellement, il peut être prévu des épaule- ments 38 sur les carapaces 22 de façon à protéger également les calottes 26 de la chaleur. Ceci permet de laisser un es- pace 40 qui compense la dilatation radiale des carapaces 22 sous l'effet de la chaleur. De plus,si cela s'avère nécessaire ou souhaitable, il peut être prévu des conduits de refroidis- sement 42 dans le moyeu 18 pour délivrer un fluide de refroi- dissement entre les carapaces 22 en céramique et les noyaux 24 en métal. Comme le montrent les figures 3 et 4, les cara- paces en céramique peuvent être réalisées de façon à présen- ter des évidements convenables 44 pour permettre au fluide de refroidissement de circuler dans l'espace 44 ainsi formé entre la carapace 22 et le noyau 24 et de sortir par des passages 46 entre la calotte 26 et ladite carapace 22. En variante, comme on le voit sur la figure 5, des évidements 48 destinés à la circulation du fluide de refroidissement, qui sont ana- logues aux évidements 44 de la figure 4 peuvent être ménagés dans la surface externe des noyaux 24. De plus, étant donné que les stators ne sont pas soumis à une force centrifuge et sont donc moins critiques que les éléments tournants, les ca- lottes ou capuchons des éléments statoriques (non représentés) peuvent être réalisés en céramique..et peuvent faire corps avec les carapaces. La figure 6 est une vue éclatée d'une variante de l'ailette de la turbine de la figure 2 présentant un noyau métallique 50 solidaire d'une roue mobile 52. Toutefois, il convient de noter que le noyau 50 pourrait constituer un élé- s ment distinct et être fixé à la roue mobile 52 par tout moyen convenable. Une carapace 54 en céramique présente une surface externe 56 qui est profilée pour assurer une configuration aérodynamique voulue et qui présente une ouverture centrale 58 configurée de manière à lui permettre de glisser aisément sur le noyau 50 de l'ailette en laissant un espace entre eux. Une feuille 60 en métal ondulé est interposée entre le noyau et la carapace 54 (dans l'espace désigné par 44 sur la figure 3) pour former une couche souple qui compense la diffé- rence de dilatation thermique du noyau 50 et de la carapace 54, qui amortit les forces aérodynamiques entre la carapace 54 et le noyau 50 et qui délimite également plusieurs canaux des- tinés à la circulation du fluide de refroidissement qui peut être introduit entre le noyau 50 et la carapace 54 par des conduits convenables d'entrée et de sortie ménagés dans la roue mobile 52, comme indiqué par des pointillés 62 et 64. Une calotte 66 est destinée à fermer l'extrémité externe de l'ouverture 58. Ladite calotte 66 présente sur sa face infé- rieure plusieursnervures, désignées par 68, qui permettent au fluide de refroidissement de passer en travers de l'extrémité externe du noyau 50. Finalement, une matière convenable de liaison (non représentée) sert à fixer la calotte 66 et la carapace 54 au noyau 50, comme on l'a décrit à propos de l'ai- lette de la figure 3. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la machine décrits et représentée sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Turbomachine comportant un rotor (163 pré- sentant un moyeu tournant (18) et plusieurs ailettes (20) fai- sant saillie au delà de la périphérie du rotor, chacune des ailettes (20) comprenant un noyau métallique (24) fixé pour tourner avec le moyeu (18), turbomachine caractérisée en ce qu'elle comporte une carapace (22) en céramique qui entoure le noyau (24) et est positionnée de façon à protéger ce der- nier des effets nuisibles d'un fluide passant à travers la machine; et une calotte métallique (26) qui retient la cara- pace (22) en position autour du noyau (24). 2. Turbomachine selon la revendication 1, carac- térisée en ce que la calotte (26) est en contact avec la cara- pace (22) de manière à soumettre cette dernière à la compres- sion pendant la rotation du rotor (16). 3. Turbomachine selon la revendication 1, carac- térisée en ce que la surface externe de la carapace (22) a une configuration aérodynamique. 4. Turbomachine selon la revendication 1, carac- térisée en ce que la carapace (22-) est réalisée de manière à délimiter un espace (44) entre elle et le noyau (24) et en ce qu'un moyen ménagé dans le moyeu (18) permet de délivrer un fluide de refroidissement dans ledit espace ú44). 5. Turbomachine selon la revendication 1, carac- térisée en ce qu'elle comporte plusieurs ailettes statoriques montées à proximité des ailettes rotoriques (201, chacune des ailettes statoriques comprenant un noyau métallique et une carapace en céramique qui entoure ledit noyau pour le protéger des effets nuisibles d'un fluide passant à travers la machine. 6. Turbomachine selon la revendication 4, carac- térisée en ce qu'elle comporte un élément souple placé dans ledit espace (44) pour supporter élastiquement la carapace (54). 7. Turbomachine selon la revendication 6, carac- térisée-en ce que l'élément souple est constitué par une feuil- le ondulée (60). B. Turbomachine selon la revendication 7, carac- térisée en ce que les ondulations de la feuille (60) sont orientées sensiblement dans le sens radial par rapport au moyeu ou roue (52) et sont destinées à délimiter plusieurs canaux pour faire circuler le fluide dans ledit espace (44).