Brevet FR2510178A1 — publié le 19830128

i Dispositif pour assembler une roue à aubes en matière céramique, notamment une roue de turbine de turboma- chine, telle qu'une turbine à gaz, avec un arbre mé- tallique ". La présente invention concerne un dispositif pour assembler une roue à aubes en matière céramique, notam- ment une roue de turbine de turbomachine telle que tur- bine à gaz, avec un arbre métallique, la liaison d'as- semblage étant réalisée entre un bout d'arbre de la roue en matière céramique et une partie d'extrémité cylindri- que creuse enfichée sur celle-ci de l'arbre métallique de la machine. Avec des dispositifs connus, déjà proposés dans l'art antérieur, des difficultés relativement importantes ont été soulevées pour la réalisation d'une liaison de transmission de force appropriée entre l'arbre métallique de machine en question, et une roue à aubes en matière céramique, notamment une roue de turbine. Dans ce but, ont déjà été proposées et réalisées, par exemple, des liaisons d'assemblage par rétrécissement de matière ou par collage, ou également par soudage En raison des propriétés et des structures extrêmement dif- férentes des pièces en matière céramique, d'une part, et des pièces métalliques, d'autre part, ainsi qu'en raison des coefficients de dilatation thermique relati- vement très différents mis en jeu dans des liaisons de ce genre, et des tensions internes qui en résultent, il n'a pas été possible jusqu'à ce jour de mettre au point une solution satisfaisante pour des liaisons de ce genre entre métal et matière céramique. D'autre part, de telles liaisons, notamment dans le cas de turbines doivent résister à des vitesses de rotation et à des températures relativement élevées, auquel cas il est nécessaire de tenir compte des solli- citations centrifuges causées par les vitesses de rota- tion relativement grandes, ainsi que des sollicitations de forces mécaniques, notamment dans le domaine du pour- tour extérieur de cet emplacement de liaison. La présente invention a pour but, dans le cadre des problèmes ainsi posés, de réaliser un dispositif du genre mentionné ci-dessus, qui, dans le cas de valeurs relativement élevées de vitesses de rotation et de tempé- ratures, assure une liaison de transmission de force du- rable entre un arbre métallique de machine et-une roue de volant en matière céramique d'une turbomachine, telle qu'une turbine à gaz. Dans ce but, l'invention concerne un dispositif de liaison du type décrit ci-dessus, caractérisé par un anneau isolant de la chaleur, enfiché sur le bout d'ar- bre de la roue à aubes en matière céramique, sur lequel est emmanchée la partie d'extrémité cylindrique creuse de l'arbre de la machine à entraîner, qui est immobili- sée en place sur le bout d'arbre au moyen d'au moins un anneau de fibres emmanché à la presse sur la partie d'extrémité de l'arbre de machine. Différents modes de réalisation caractéristiques sont proposés par l'invention et décrits dans la suite. Le dispositif d'assemblage conforme à l'inven- tion présente, notamment par rapport au dispositif d'assemblage connu du type à rétrécissement de matière, les avantages suivants a) Le coefficient de dilatation thermique (en- viron 1 10 K), de l'anneau en fibres est inférieur à celui de la roue de turbine en matière céramique (en- viron 3 à 4,5 10-6 K-1) Un relâchement de la liaison conforme à l'invention, le cas échéant provoqué par des tensions de dilatation thermiques, est par conséquent impossible, contrairement au cas d'un assemblage par rétrécissement de matière. b) L'anneau en fibres présente un poids spéci- fique (t= 1,7 à 1,8) inférieur à celui de l'arbre métal- lique dans le cas d'une liaison par rétrécissement de matière Il en résulte une sollicitation d'évasement con- sidérablement plus faible, en fonction de la vitesse de rotation. c) L'anneau de fibres prévu conformément à l'invention est largement capable d'absorber les ten- sions tangentielles relativement grandes auxquelles il faut s'attendre. d) Dans le cas o l'anneau de fibres mentionné est recouvert, extérieurement, par un métal particulier possédant un coefficient de dilatation thermique infé- rieur, il est possible d'admettre une température de mise en service d'environ 800 C, tandis que, avec un anneau non recouvert de métal, on peut tenir compte d'une tem- pérature d'environ 500 'C Dans ce dernier cas, d'un an- neau de fibre non recouvert de métal, il est donc possi- ble d'admettre une température de mise en service qui se situe dans le domaine de celle d'une liaison par rétré- cissement de matière laquelle peut admettre une tempéra- ture de mise en service de 400 à 5000 C. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés repré- sentant des exemples de réalisation de l'invention, -35 dessins dans lesquels: la figure l est une vue en coupe axiale par- tielle d'un exemple de réalisation conforme à l'inven- tion concernant la liaison d'assemblage entre un bout d'arbre métallique, cylindrique creux, d'une machine à entratner, avec le bout d'arbre d'une roue à aubes de turbine réalisée en matière céramique; la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1 montrant un amincissement de révolution de l'extrémité de l'arbre de machine du c 8 té de la liaison; les figures 3 et 4 montrent différents-modes de réalisation, vus en direction du plan II-II de la figure 1, et montrant un amincissement, local dans ce ças, des extrémités en forme de douilles de l'arbre de machine en question. La figure 1 représente l'assemblage entre une roue à aubes 1 en matière céramique d'une turbine à gaz et un arbre métallique 2 d'une machine à entraîner en rotation. Conformément à la-figure 1, il est prévu par l'invention, entre autres, un anneau isolant de la cha- leur 5 enfiché sur le bout d'arbre 3 de la roue à aubes 1 en matière céramique Sur cet anneau isolant de la cha- leur est montée une partie d'extrémité cylindrique creuse 4 de L'arbre de machine 2 qui est immobilisée en place sur le bout d'arbre 3 au moyen d'au moins un an- neau de fibres 6 appliqué à la presse sur la partie d'extrémité 4 de l'arbre de la machine Comme le montrent les figures 2 à 4, les portions d'extrémité cylindriques creuses 4, 4 ', 4 " peuvent être amincies en diamètre, no- tamment dans la zone de recouvrement entre ces parties d'extrémité 4 et le bout d'arbre 3 de la roue à aubes. Les figures 1 et 2 comportent en conséquence un amincissement symétrique en rotation de la partie d'extrémité 4 cylindrique creuse de l'arbre 2 de la ma- chine à entraîner, cette réduction d'épaisseur de paroi formant une extrémité en forme de douille à paroi mince. Les figures 3 et 4 montrent des exemples d'un amincissement localisé par enlèvement de matière des portions d'extrémité cylindrique creuse 4 ' et 4 " Dans la figure 3, cet affaiblissement local est obtenu par une fente axiale 7 et, dans la figure 4 par des gorges longitudinales 8, ces gorges étant appliquées avec leur c 8 té ouvert sur l'anneau isolant de la chaleur 5. La roue à aubes en matière céramique, ainsi que le bout d'arbre de la machine sont avantageusement réa- lisés en nitrure de silicium ou en carbure de silicium. En outre, l'anneau isolant de la chaleur peut être confectionné en titanate d'aluminium ou en nitrure de bore pyrolytique. Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est prévu de former et fabriquer au moins un anneau de fibres de carbone enrobées dans une matrice en ma- tière synthétique. D'autre part, l'invention n'exclut pas qu'au moins un anneau en fibres soit réalisé en matière syn- thétique armée notamment avec des fibres de carbone. En vue d'obtenir une résistance à des températu- res relativement élevées, il est en outre prévu, confor- mément à l'invention, de pourvoir l'anneau de fibres d'un revêtement extérieur constitué en un métal spécial à faible coefficient de dilatation thermique, par exem- ple en carbure de silicium (Si C). Ce revêtement peut être réalisé par un procédé à dép 8 t de phase de vapeur (procédé CVD). 2510-178 R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Dispositif pour assembler une roue à aubes ( 1) en matière céramique, notamment une roue de turbine de turbomachine telle que turbine à gaz, avec un arbre. métallique ( 2)), la liaison d'assemblage étant réalisée entre un bout d'arbre ( 3) de la roue en matière céramir que et une partie d'extrémité cylindrique creuse ( 4) de l'arbre métallique de machine enfichée sur lui, dispo- sitif caractérisé par un anneau ( 5) isolant de la cha- leur, enfiché sur le bout d'arbre ( 3) de la roue à au- bes en matière céramique ( 1), sur lequel est emmanchée la partie d'extrémité cylindrique creuse ( 4) de l'arbre ( 2) de la machine à entraîner, qui est immobilisée en place sur le bout d'arbre ( 3) au moyen d'au moins un anneau de fibres ( 6) emmanché à la presse sur la partie d'extrémité ( 4) de l'arbre de machine. 2 ) Dispositif suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la partie d'extrémité cylindrique creuse ( 4) est amincie par enlèvement de métal, notam- ment dans la zone de son recouvrement du bout d'arbre ( 3) de la roue à aubes ( 1). 3 ) Dispositif suivant la revendication 2, ca- ractérisé en ce qu'un affaiblissement de révolution de la partie d'extrémité cylindrique creuse ( 4) de l'arbre de machine est réalisé sous la forme d'une réduction de l'épaisseur de paroi. 4 ) Dispositif suivant la revendication 2, ca- ractérisé par un affaiblissement local, par enlèvement de matière, de la partie d'extrémité cylindrique creuse ( 4 ') sous la forme d'une fente ( 7) s'étendant en direc- tion axiale, ou d'évidements, tels que des gorges ( 8) dont le c 8 té ouvert est appliqué contre l'anneau iso- lant de la chaleur ( 5). ) Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que la roue à aubes ( 1) en matière céramique est fabriquée en nitrure ou carbure de silicium. ) Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'anneau iso- lant de la chaleur ( 5) est constitué en titanate d'alu- minium ou en nitrure de bore pyrolytique. ) Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 6, caractérisé en ce que, au moins un anneau de fibres ( 6) est constitué en fibres de carbure enrobées dans une matrice en matière synthétique. ) Dispositif suivant l'unê'quelconque des re- vendications 1 à 6, caractérisé en ce que, au moins un anneau de fibres ( 6) est constitué en matière synthéti- que armée de fibres, notamment de fibres de carbone. 9 ) Dispositif suivant la revendication 7, ca- ractérisé en ce que, au moins un anneau de fibres ( 6) est pourvu d'un revêtement extérieur en un métal spécial ayant un faible coefficient de dilatation thermique, no- tamment en carbure de silicium.