Brevet FR2501781A1 — publié le 19820917

1. - L'invention est relative à une aube de turbine, notamment aube directrice de turbine pour ensemble de propulsion par turbine à gaz, aube constituée d'un noyau métallique porteur, entourée à une certaine distance d'une enveloppe d'aube en céra- mique, aube dans laquelle il est prévu au moins un guidage d'air de refroidissement s'étendant dans la direction longitudinale de l'aube, et dans laquelle sont en outre prévues des bandes interne et externe de recouvrement des aubes ou bien des seg- ments de bandes interne et externe de recouvrement des aubes, grâbe auxquels l'aube de turbine est suspendue à des parties constitutives interne et externe de la structure du bottier, tout en étant susceptible d'être centrée, en étant, par ail- leurs limitée radialement et en étant axialement flexible ther- moplastiquement. Pour une meilleure utilisation du carburant ainsi que pour une concentration encore plus importante de puissance dans le cas d'ensembles de propulsion à turbine à gaz, on exige aujourd'hui, notamment dans le cas des ensembles de propulsion à turbine à gaz pour les avions, mais également dans le cas des installations stationnaires modernes de turbine à gaz, des températures de gaz aussi élevées que possible. Grâce à des concepts de refroidissement rela- tivement onéreux quant à la conception et à la technique de fabrication, la technique de construction des ensembles de pro- pulsion b turbine à gaz a atteint un stade permettant de tra- vailler avec des températures d'entrée de turbine qui se si- tuent en partie au-dessus du point de fusion des matériaux constituant les aubes des turbines. Bien entendu, cela ne peut être obtenu qu'avec des matériaux d'une valeur extraordinaire- ment élevée, et donc relativement coûteux, un coût de fabrica- tion élevé, ainsi qu'avec un risque correspondant élevé et aus- si, le plus souvent, seulement avec une consommation considéra- ble d'air de refroidissement. Par le document DE-OS 28 34 864 on connait une aube mobile pour ensemble de propulsion à turbine à gaz, c'ons- tituée d'un noyau métallique porteur entouré à une certaine dis- tance par une enveloppe d'aube en céramique. L'idée inventive essentielle de cette solution connue, doit être considérée comme consistant en ce que la feuille profilée à paroi mince est en prise dans un pli d'une plaque de tète d'aube le long de la 2.- périphérie de l'aube et que cette plaque de tête doit prendre appui sur le disque de la turbine par au moins un noyau d'aube en forme de barreau ou de fil au moyen d'une part, d'une tête élargie et, d'autre part, d'un pied élargi du noyau. Dans cette solution connue, on considère d'une part, comme un inconvénient qu'une quantité relativement impor- tante d'air de refroidissement soit nécessaire pour le proces- sus de refroidissement de l'aube. D'autre part, dans ce cas précité connu, il y a lieu de s'attendre à des tensions ther- miques croissantes du fait du balayage indirect ou direct de l'enveloppe en céramique de l'aube par l'air de refroidisse- ment. En outre, dans le cas de cette solution préci- tée connue, il n'est prévu aucune protection suffisante contre le rayonnement thermique du noyau métallique porteur de l'aube, aucune fonction porteuse susceptible d'être définie d'une façon précise, ne pouvant en outre être basée sur le noyau en forme de barreau ou de fil prévu dans ce cas pour l'aube. En outre, pour la solution conçue en premier lieu dans le cas connu précité pour une aube mobile, d'autres critères de base sont valables que ceux qui seraient à la base d'une aube conçue comme aube directrice. L'invention a pour but d'éviter les inconvé- nients connus précédemment mentionnés, et de créer une aube de turbine, notamment une aube directrice de turbine du type initialement mentionné, et qui présente une amélioration quant à la possibilité d'une température d'entrée extrêmement élevée dans la turbine, ceci devant être obtenu avec une dépense tech- nique relativement réduite. Pour atteindre ce but, l'invention concerne une aube caractérisée en ce que: a) l'enveloppe de l'aube insérée dans les évidements des bandes de recouvrement interne et externe des aubes est déjà dans l'état de non fonctionnement de la turbine placée entre les bandes de recouvrement des aubes sous une précontrainte de pression agissant selon la direction longitudinale de l'aube, b) une première pièce constitutive et une seconde pièce consti- tutive en forme de douilles, soumises simultanément à l'ap- plication d'un effort pour cette précontrainte sous pression de l'enveloppe de l'aube, sont soudées avec le noyau métal- 3.- lique de l'aube, chacune de ces pièces venant en prise avec son extrémité opposée à l'emplacement de soudure et tournée vers le noyau de l'aube dans un évidement correspondant de la bande de recouvrement interne ou bien externe, c) essentiellement dans l'espace intermédiaire entre le noyau de l'aube et l'enveloppe de l'aube, est disposée une tôle de protection contre la chaleur s'étendant dans la direction longitudinale de l'aube, et qui délimite entre elle et le noyau de l'aube un canal pour l'air de refroidissement. d) dans le cadre de la constitution précitée de l'aube, la pré- contrainte de pression de l'enveloppe de l'aube, appliquée dès le montage et existante dans l'état de non fonctionne- ment, est susceptible d'être maintenue ou même d'être aug- mentée dans l'état de fonctionnement, en ce qu'il est pris comme base pour les bandes métalliques interne et externe des aubes, mais principalement pour les pièces constitutives métalliques interne et externe en forme de douilles, des ma- tériaux présentant une grande dilatation thermique, tandis qu'il est pris comme base pour l'enveloppe en céramique de l'aube, soumise ou susceptible d'être soumise à une tempéra- ture élevée, un matériau avec une dilatation thermique ty- piquement réduite. Sur la base de la solution conforme à l'inven- tion, on peut créer une aube de turbine, notamment une aube di- rectrice de turbine, qui malgré sa mise en oeuvre des tempé- ratures d'entrée relativement élevées, n'entratne qu'une consom- mation d'air de refroidissement extraordinairement réduite. Il existe en outre la possibilité de mettre en oeuvre des maté- riaux relativement bon marché à base de nickel ou de fer, ce -qui est susceptible d'être obtenu du fait des températures re- lativement réduites auxquelles sont soumis les composants métal- liques précités. En outre, dans le cas présent, l'écoulement en grille dans le canal de la turbine n'est perturbé par aucune expulsion d'air de refroidissement à partir de l'aube, grâce à quoi de meilleurs rendements de la turbine sont rendus pos- sibles. De plus, on peut créer une aube de turbine, notamment une aube directrice, qui se distingue par un bon comportement à la corrosion par les gaz chauds et qui n'exige donc aucune couche supplémentaire de protection contre la corrosion. On peut 4.- en outre créer une aube de turbine, notamment une aube direc- trice, avec un bord d'entrée relativement mince, grâce à quoi des conditions aérodynamiquement favorables sont crées, et que l'on peut également en attendre des avantages en ce qui con- cerne l'impact éventuel de corps étrangers (suie). l'idée de base de l'invention réside dans ce cas, en ce que l'enveloppe en céramique de l'aube directrice est constamment mise en pression par un système thermoélastique fermé sur lui-même. On peut dans ce cas ainsi compenser, en vue de la contrainte thermoélastique, la dilatation thermique ré- duite de l'enveloppe en céramique de l'aube directrice par les éléments constitutifs (pièces constitutives en forme de douil- les et bandes externe et interne de recouvrement des aubes) dont la dilatation thermique est particulièrement élevée et les noyaux métalliques des aubes avec une dilatation thermique par- ticulièrement basse. Grâce à la tôle de protection thermique con- forme à l'invention, on évite un flux de chaleur important al- lant de l'enveloppe en céramique de l'aube au noyau métallique de l'aube, grâce à quoi la quantité d'air de refroidissement né- cessaire peut être maintenue à un niveau relativement bas, et on empêche par ailleurs que l'enveloppe en céramique de l'au- be soit directement en contact avec l'air de refroidissement, grâce à quoi les contraintes thermiques peuvent être évitées dans une large mesure. L'invention va être exposée plus en détail en se référant à un exemple de réalisation représenté sur les dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une coupe axiale d'une par- tie de turbine comprenant l'aube directrice conforme à l'inven- tion, - la figure 2 est une coupe selon la ligne G-G de la figure 1, - la figure 3 est une coupe selon la ligne A-A de la figure 1, - la figure 4 est une coupe selon la ligne B-B de la figure 1. Selon les figures 1 et 2, l'aube directrice de turbine 1 est constituée d'un noyau métallique porteur 2, entourée à une certaine distance par une enveloppe d'aube 3. 5.- Pour réduire le poids, le noyau métallique 2 est muni d'un es- pace creux 4 fermé en dessous par une tôle de recouvrement sou- dée 4'. La référence 5 désigne un canal d'air de refroidisse- ment. Les références 6 et 7 désignent des bandes de recouvre- ment interne et externe des aubes, grâce auxquelles l'aube di- rectrice de turbine 1, d'une façon qui sera expliquée plus en détail par la suite, est suspendue aux parties constitutives interne et externe de la structure du bottier, tout en étant susceptible d'être centrée, ainsi que limitée radialement avec une flexibilité axiale thermoélastique. L'enveloppe 3 de l'aube insérée dans des évi- dements 8, 9 des bandes interne et externe de recouvrement 6, 7 des aubes, doit être avantageusement placée, déjà dans l'état de non fonctionnement de la turbine, ou bien de l'ensemble de propulsion à turbine à gaz, entre les deux bandes de recouvre- ment 6, 7 des aubes sous une précontrainte de pression agis- sant dans la direction longitudinale de l'aube. Une seconde et une troisième pièces constitutives en forme de douilles 10 et 11, soumises à l'action d'un effort pour cette précontrainte sous pression de l'enveloppe 3 de l'aube, sont soudées lors du montage avec le noyau métallique 2 de l'aube (voir les em- placements de soudure S, S'). Dans ce cas, chacune des deux pièces constitutives précitées en forme de douilles 10 ou bien 11, est en prise par son extrémité opposée à l'emplacement pré- cité de soudure S ou bien S', et tournée vers le noyau 3 de l'aube, dans un évidement correspondant 12 ou bien 13 de la bande de recouvrement interne ou bien externe 6 ou bien 7. Ainsi que cela découle en outre des figures 1 et 3, il y a entre le noyau 2 de l'aube et l'enveloppe 3 de l'aube, une tôle de protection thermique 14 s'étendant dans la direction longitudinale de l'aube. Cette tôle de protection ther- mique 14 délimite entre elle et le noyau 2 de l'aube, le canal de refroidissement de l'aube déjà mentionné précédemment, si bien que l'air de refroidissement ne vient pas au contact de l'enveloppe en céramique 3 de l'aube, tandis que la tôle de pro- tection thermique 14 remplit la fonction d'un écran de protec- tion du noyau 2 de l'aube contre le rayonnement thermique en provenance de l'enveloppe 3 de l'aube. Dans le cadre de la cons- titution précitée de l'aube, la précontrainte en pression de l'enveloppe 3 de l'aube, appliquée dès le montage par l'inter- 6.- médiaire des deux pièces constitutives en forme de douilles 10 et 11, et donc présente en permanence aussi dans l'état de non fonctionnement, peut -tre maintenue ou bien même augmentée dans l'état de fonctionnement. A cet effet, il est prévu pour le noyau métallique 2 de l'aube, un matériau d'une faible dila- tation thermique, pour les bandes métalliques interne et exter- ne 6 et 7 de recouvrement de l'aube, mais principalement pour les pièces constitutives métalliques interne et externe en forme de douilles 1 0, 11, -il est préve un matériau de grande dilata- tion thermique. En outre, il est également prévu à cet effet pour l'enveloppe 3 de l'aube soumise en fonctionnement à des températures élevées, un matériau avec une dilatation thermique typiquement réduite. Pour améliorer la protection contre la tempéra- ture du noyau 2 de l'aube, la t8le de protection thermique 14, sur son c8té toulrné vers l'enveloppe 5 de l'aube, pourra être munie d'une couche thermiquement isolante 15 pouvant par exem- ple être constituée de ZrO2. Oonformément à la figure 1, les surfaces de contact pour l'enveloppe 3 en céramique de l'aube, constituées par les évidements 8 ou bien 9 de la bande de re- couvrement interne ou bien externe 6, 7 de l'aube, peuvent être en outre munies d'une garniture 16 ou bien d'un revêtement ap- proprié, ductile et thermiquement isolant. En outre, cette gar- niture peut être en forme de feuille. Il découle en outre de la figure 3, que la t8le de protection thermique 14 peut 8tre appliquée lsur le noyau 2 de l'aube ou bien sur l'enveloppe 3 de l'aube au moyen de saillies 17 ou bien 17' en forme de bouton. Selon la figure 3, la bande interne de recou- vrement 6 est disposée contre un support interne 20 d'aube direc- trice d'une part, par l'intermédiaire d'une liaison de centrage 18, éventuellement en forme de dents et, d'autre part, par l'in- termédiaire d'une liaison élastique à gorges 19. Cette dernière liaison élastique à gorges ménage un jeu radial limité entre le support 20 de l'aube directrice et l'aube directrice 1, par l'intermédiaire de la bande de recouvrement interne 6. Il découle en outre de la figure 1, que le noyau 2 de l'aube se prolonge jusqu'au voisinage de la paroi périphérique annulaire du support 20 des aubes directrices. Le support 20 des aubes directrices délimite, en concomitance 7.- avec la pièce constitutive interne en forme douille 10 et des parties de paroi de la bande de recouvrement interne des aubes 6, un espace annulaire 21 susceptible d'être parcouru par l'air de refroidissement (flèche K). Cet espace annulaire 21 est en liaison par l'intermédiaire de fentes 22 de la pièce constitu- tive interne en forme de douille 10, avec un canal 23 ménagé entre cette pièce et le noyau 2 de l'aube. Dans ce canal 23, pénètre l'extrémité inférieure de la tôle de protection ther- mique 14 de façon telle que ce canal 23 est en liaison directe avec le canal 5 de refroidissement de l'aube. À cet endroit est en outre prévu un joint d'étanchéité métallique de préfé- rence en forme de feuille qui ferme la fente entre la tOle de protection thermique 14 et la bande de recouvrement interne 6 de l'aube qui lui est limitrophe. La tôle de protection thermique 14 est en outre fixée à une tOle de retenue 25 (dans le haut) dans l'évidement 9 entre la bande de recouvrement externe 7 des aubes et l'extré- mité limitrophe de cette bande de la pièce constitutive externe en forme de douille 11. Le noyau métallique 2 de l'aube ainsi que la pièce constitutive externe en forme de douille 11 au-dessus de l'enveloppe en céramique 3 de l'aube, sont disposés dans un es- pace annulaire 28 délimité par des parties constitutives de la structure du bottier 26, 27 ainsi que par des parties de la bande de recouvrement supérieure 7. Cet espace annulaire 28 est en liaison par l'intermédiaire de fentes d'air de refroidisse- ment 29 dans l'enveloppe de la pièce constitutive externe en forme de douille 11, avec le canal 30 ménagé entre cette der- nière pièce et le noyau 2 de l'aube. Ce canal 30 communique à son tour, avec le canal de refroidissement 5 de l'aube ménagé entre le noyau 2 de l'aube et la tôle de protection thermique 14. L'air de refroidissement nécessaire peut, par exemple, être soutiré de l'extrémité du compresseur (extrémité à haute pres- sion du compresseur dans le cas d'ensembles de propulsion à turbine à gaz à arbres multiples) de l'ensemble de propulsion à turbine à gaz. Comme on peut le voir en outre sur la figure 1, la bande de recouvrement externe 7 est suspendue par l'in- termédiaire de liaisons élastiques à gorges s'étendant axiale- ment 31, 32, aux parties constitutives externes 26, 33 de la 8.- structure du bottier, qui sont limitrophes de cette bande, l'une 31, de ces liaisons étant flexible axialement, c'est-à- dire qu'elle maintient un jeu axial limité. L'air contenu dans l'espace annulaire externe 28 est ensuite finalement amené, selon la direction de la flèche R, par l'intermédiaire de plusieurs passages cylindriques d'air de refroidissement 34, uniformément répartis sur la périphérie de la bande de recouvrement 7 et de la partie constitutive 35 du bottier, dans la zone des extrémités externes des aubes mobiles, en vue d'un refroidissement non représenté plus en dé- tail d'une partie externe du bottier de la turbine, et ceci, conformément à ce que l'on appelle un refroidissement par impact connu en soi. Après le prélèvement de chaleur correspon- dant au refroidissement du bottier de la turbine, l'air de re- froidissement peut ensuite selon la flèche Q être amené par l'intermédiaire de perçages radiaux 35 dans la partie constitu- tive 33 du bottier, au processus de fonctionnement, ou bien au canal 36 de la turbine. Pour le bon ordre, il y a lieu de mentionner que l'invention peut être appliquée dans le cas des ensembles de propulsion à turbine à gaz, c'està-dire aussi bien dans le cas des installations stationnaires de turbine à gaz que dans le cas des ensembles à turbines de propulsion par réaction. 9.O- 2501781 R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Aube de turbine, notamment aube directrice de turbine pour ensemble de propulsion par turbine à gaz, aube constituée d'un noyau métallique porteur, entourée à une certaine distance d'une enveloppe d'aube en céramique, aube dans laquelle il est prévu au moins un guidage d'air de re- froidissement s'étendant dans la direction longitudinale de l'aube, et dans laquelle sont en outre prévues des bandes in- ternes et externes de recouvrement des aubes ou bien des seg- ments de bandes internes et externes de recouvrement des aubes, grâce auxquels l'aube de turbine est suspendue à des parties constitutives interne et externe de la structure du bottier, tout en étant susceptible d'être centrée, en étant par ail- leurs limitée radialement et en étant axialement flexible thermoplastiquement, aube caractérisée en ce que: a) l'enveloppe (3) de l'aube insérée dans les évidements (8, 9) des bandes de recouvrement internes (6) et externes (7) des aubes est déjà dans l'état de non fonctionnement de la tur- bine placée entre les bandes (6, 7) de recouvrement des au- bes sous une précontrainte de pression agissant selon la di- rection longitudinale de l'aube, b) une première pièce constitutive (10) et une seconde pièce constitutive (11) en forme de douilles, soumises simultané- ment à l'application d'un effort pour cette précontrainte sous pression de l'enveloppe (3) de l'aube, sont soudées avec le noyau métallique (2) de l'aube, chacune de ces pièces ve- nant en prise avec son extrémité opposée à l'emplacement de soudure et tournée vers le noyau (3) de l'aube dans un évi- dement correspondant (12 ou bien 13) de la bande de recouvre- ment interne ou bien externe (6 ou bien 7). c) essentiellement dans l'espace intermédiaire entre le noyau (2) de l'aube et l'enveloppe (3) de l'aube, est disposée une tôle de protection contre la chaleur (14) s'étendant dans la direction longitudinale de l'aube, et qui délimite entre elle et le noyau (2) de l'aube un canal (5) pour l'air de refroidissement. d) dans le cadre de la constitution précitée de l'aubes la pré- contrainte de pression de l'enveloppe (3) de l'aube, appli- quée dès le montage et existante dans l'état de non fonction- nement, est susceptible d'être maintenue ou même d'être aug- mentée dans l'état de fonctionnement, en ce qu'il est pris comme base pour les bandes métalliques interne et externe (6, 7) des aubes, mais principalement pour les pièces constitutives métalliques interne et externe en forme de douilles (10, 11) des matériaux présentant une grande dilatation thermique, tandis qu'il est pris comme base pour l'enveloppe en céramique (3) de l'aube, soumise ou susceptible dt'être soumise à une température élevée, un matériau avec une dilatation thermique typiquement réduite. 2.- Aube de turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la t8le de protection contre la chaleur (14) est munie sur sa face en regard de l'enveloppe (3) de l'au- be, d'une couche thermiquement isolante par exemple en ZrO2. 3.- Aube de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les surfaces de contact, formées à partir des évidements (8 ou bien 9) des ban- des de recouvrement interne ou bien e:terne (6, 7) des aubes, pour l'enveloppe en céramique (3) de l'aube, sont munies d'une garniture (16) ou d'un revêtement ductile et thermiquement iso- lant. 4.- Aube de turbine selon la revendication 3, caractérisée en ce que la garniture revêt la forme d'un film. 5.- Aube de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la tôle de protec- tion thermique (14) s'applique contre le noyau (2) de l'aube ou bien contre l'enveloppe (3) de l'aube au moins partiellement au moyen de saillies en forme de boutons (17 ou bien 17t) de cette t8le. 6.- Aube de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la bande de recou- vrement interne (6) des aubes est disposée contre un support interne (20) d'aube directrice, d'ue part par l'intermédiaire d'une liaison de centrage (18) et d'autre part, par l'intermé- diaire d'une liaison (19) élastique à gorge, flexible radiale- ment. 7.- Aube de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le noyau (2) de l'aube se prolonge jusqu'au voisinage de la paroi périphérique en forme d'anneau du support d'aube directrice (20) et délimite à cet endroit, de façon concomittante avec la pièce constitutive 11.- interne en forme de douille (10) et des parties de paroi de la bande de recouvrement interne (6) des aubes, un espace annu- laire (21) susceptible de recevoir l'air de refroidissement, et qui est en liaison par l'intermédiaire d'orifices ou de fen- tes (22) de la pièce constitutive interne en forme de douille (10) avec un canal (23) ménagé entre cette pièce et le noyau (2) de l'aube, l'extrémité inférieure de la tôle de protection thermique (14) pénétrant dans ce canal de façon telle que ce canal soit directement en liaison avec le canal de refroidisse- ment (5) de l'aube entre le noyau (2) et la tôle de protection thermique (14), un joint d'étanchéité métallique (24), de pré- férence en forme de feuille- étant prévu, qui ferme la fente entre la tôle de protection thermique (14) et la bande interne (6) de recouvrement des aubes. 8.- Aube de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la tôle de protec- tion thermique (14) est fixée contre une tôle de maintien (25) dans l'évidement (13) entre la bande externe (7) de recouvre- ment des aubes et l'extrémité limitrophe de cette bande de la pièce constitutive externe en forme de douille (11). 9.- Aube de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le noyau métalli- que (2) de l'aube ainsi que la pièce constitutive externe en forme de douille (11) au-dessus de l'enveloppe en céramique (3) de l'aube, sont disposés dans un espace annulaire (28) dé- limité entre autres par des parties constitutives de la struc- ture du bottier (26, 27) ainsi que par des tronçons de la ban- de externe de recouvrement (7), cet espace annulaire (28) étant en liaison par l'intermédiaire d'orifices ou bien de fentes d'air de refroidissement (29) dans l'enveloppe de la pièce cons- tiLtutive externe en forme de douille (11) avec le canal (30) ménagé entre cette pièce et le noyau (2) de l'aube, ce canal communiquant à son tour avec le canal de refroidissement (5) de l'aube entre le noyau (2) et la tôle de protection thermique (14). 10.- Aube de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la bande de recou- vrement externe (7) est suspendue par l'intermédiaire de liaisons élastiques à gorges (31, 32), s'étendant axialement, aux parties constitutives externes (26, 33) de la structure du bottier, l'une (31) de ces liaisons présentant une flexibilité axiale.