Brevet FR2510179A1 — publié le 19830128

"Aube de turbine alimentée en gaz chaud" - L'invention concerne une aube de turbine alimentée en gaz chaud comportant des éléments métalliques et des éléments en céramique. La demande de brevet allemand publié 736 958 décrit une aube pour turbine à gaz comportant un corps support en acier et une gaine en matière céramique et dans la- quelle la gaine en matière céramique dépasse la hauteur totale de l'aube et est fixée à son extrémité supérieure à une pale de maintien se trouvant sur la partie supérieure du corps support. Des aubes analogues en métal et céramique sont également décrites dans le brevet allemand 848 883 et le brevet américain 2 479 057. Il s'est révélé que les aubes de la tech- nique connue antérieurement, en particulier lorsqu'elles sont utilisées comme aubes de rotor pour des rotors à vitesse de rota- tion élevée, sont endommagées par formation de fissures dans la gaine en céramique Cette formation de fissures et les dégâts qui en résultent sont à imputer au fait que, à grande vitesse, dans la pale -de céramique, se produisent des contraintes de compres- sion élevées qui, surtout dans la zone de la surface d'appui de la gaine en céramique, dépassent les pressions superficielles admises Du fait de la cassure des gaines en céramique, il se produit, lors du fonctionnement, des dégats importants dans les turbines Un autre problème des aubes de turbine connues de l'art antérieur est celui du maintien impeccable de la gaine de céra- mique dans la zone supérieure du noyau support métallique Plus la gaine en céramique est haute, plus les forces centrifuges qui sont créées sont élevées, et plus le dispositif de maintien sur la partie supérieure du noyau doit être réalisé de manière stable, ce qui n'est souvent pas réalisé de manière suffisante pour des raisons d'encombrement. Le but de la présente invention est de réaliser une aube de turbine du type décrit ci-dessus qui pré- sente une endurance élevée, même pour des grandes hauteurs de tur- bine ét pour une sollicitation par les forces centrifuges élevée, -2 2510179 sans avoir à renoncer, de ce fait, à la haute tenue en tempéra- ture et à la résistance à l'érosion qui caractérisent les pales profilées en céramique. L'aube de turbine, selon l'invention, est entièrement constituée de métal dans sa partie intérieure radiale, alors que, dans sa partie extérieure radiale, elle comporte un noyau d'appui en métal et une pale profilée en céramique entou- rant ledit noyau. L'invention permet de limiter la hauteur des pales profilées en céramique, ce qui entraîne une diminution correspondante de la masse de céramique et, par suite, -une dimdinu- tion des forces centrifuges La conséquence de cela est une pression superficielle plus faible dans la zone de contact entre la pale profilée en céramique et le noyau support, ainsi qu'une charge plus faible du noyau support qui la porte Du fait de la dimi- nution de la contrainte de compression de la pale profilée en céramique, on diminue notablement le danger de formation de fis- sures et, par suite, le danger d'une cassure Par ailleurs, le fait de réaliser en métal la partie radiale de l'aube se trouvant à l'intérieur est acceptable dans la plupart des cas d'utilisa- tion, car toutes les particules solides du flux gazeux se trouvent dans la partie radiale extérieure de ce flux gazeux et, par suite, ce n'est que dans cette zone que l'on ne peut vérita- blement renoncer à la résistance élevée à l'érosion de la céra- mique aux hautes températures. Gràce à l'aube selon l'invention, on ob- tient une sécurité de fonctionnement élevée pour une turbo machine par le fait que, lorsqu'il se produit une cassure de la pale de céramique, du fait de la faible grandeur de l'élément cassé, à savoir la pale profilée en céramique, on peut limiter les dég Ats entraînés par cette cassure sur les éléments voisins, en particu- lier sur ceux qui se trouvent en aval Enfin, du fait qu'une partie de l'aube de turbine est en métal ou en acier, il faut compter également, ensuite, avec une possibilité de fonctionnement limitée si, par hasard, la pale profilée en céramique est détruite Ceci exclut donc une chute de puissance totale de la turbo-macht D* -3- Avantageusement, dans une aube de turbine, selonl'inagntion, nla ha eur d la pale prof eer céramique qui s'étend radialement à l'extérieur, peut valoir jusqu'à la moitié de la hauteur totale de l'aube; suivant un mode de réali- sation préféré de l'invention, une pale profilée en céramique a une hauteur égale à environ 1/3 de la hauteur totale h de l'aube. Comme cela est connu, il est avantageux du point de vue de la structure que le noyau-support présente à son extrémité extérieure radiale une tâte en forme de champignon faisant saillie, et sur laquelle la pale profilée en céramique s'appuie en partant du bas. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, faite à titre illustratif, en se référant au dessin sur lequel les figures 1 et 2 représentent en coupe partielle,deux modes de réalisation d'aubes de turbine conformes à la présente invention. L'aube représentée à la figure 1 est cons- tituéepar une partie intérieure radiale 1 qui entoure également le pied 5 de l'aube et qui est réalisée en métal, de préférence en acier An noyausupport 2 qui se raccorde radialement vers l'extérieur à la partie interne 1 et qui présente une tête 4 en forme de champignon et faisant saillie,est réalisé d'une seule pièce avec la partie interne radiale 1 La tète 4 en forme de champignon du noyau-support 2 supporte une pale profilée 3 en céramique qui se raccorde pàr-on extrémité radiale interne à la surface extérieure de la partie radiale interne 1 de l'aube de la turbine sans faire d'épaulement. L'aube représentée à la figure 2 est essen- tiellement constituée comme celle de la figure 1; elle s'en distingue, cependant, par le fait que l'épaisseur de la paroi de la pale profilée en céramique 3 a augmente selon une direction radiale vers l'extérieur en direction de l'extrémité de ladite pale De manière correspondante, comme cela est représenté dans l'exemple décrit, le noyau support 2 a de l'aube peut se rétrécir radialement vers le haut dans cette zone Selon une variante, on pourrait également prévoir une fente dont la section se -4rétrécit selon une direction radiale vers le haut entre la pale profilée en céramique 3 a et un noyau-support 2 de section cons- tante Le mode de réalisation représenté à la figure 2 est parti- culièrement avantageux lorsque l'on doit compter avec un effort d'érosion accru pour la surface de l'aube, comme cela est le cas par exemple dans les moteurs à poussière de charbon L'érosion accrue usera surtout la surface de la pale profilée en céramique dans la zone extérieure radiale Du fait de l'augmentation de l'épaisseur de la paroi dans cette zone, il y aura toujours dans cette zone une épaisseur de matière suffisante pour satisfaire à une durée de fonctionnement élevée - 2 2510179 REVENDICATIONS l') Aube de turbine alimentée par du gaz chaud et comportant des éléments métalliques et des éléments en céramique, caractérisée en ce que l'aube est entièrement consti- tuée de métal dans sa partie intérieure radiale ( 1), alors qu'elle comporte dans sa partie extérieure radiale un noyau- support ( 2 k 2 a) en métal et une pale profilée ( 3, 3 a) entou- rant ledit noyau et réalisée en céramique. 2) ) Aube de turbine, selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que la pale profilée( 3, 3 a) en céra- mique, qui s'étend radialement vers l'extérieur, a une hauteur inférieure ou égale à la moitié de la hauteur totale h de l'aube. ) Aube de turbine, selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que la pale profilée( 3, 3 a) en céra- mique qui s'étend radialement vers l'extérieur, àune hauteursensi- blement égale au 1/3 de la hauteur totale h de l'aube. ) Aube de turbine, selon l'une des re- vendications l à 3, caractérisée en ce que le noyau-support ( 2, 2 a) comporte à son extrémité extérieure radiale une tête ( 4) en forme de champignon et faisant saillie, sur laquelle la pale profilée en céramique( 3, 3 a) prend appui en partant du bas. ) Aube de turbine, selon l'une des re- vendications l à 4, caractérisée en ce que l'épaisseur de la paroi de la pale profilée en céramique ( 3, 3 a) augmente selon une direction radiale vers l'extérieur en direction de son extré- mité.