Brevet FR2521213A1 — publié le 19830812

- "Aube mobile de turbine pour machines à flux gazeux no- tamment pour mécanismes d'entraînement par turbines à gaz". am mm DL'invention est relative à une aube mobile de turbine pour machines à flux gazeux notamment pour des mécanismes d'entraînement par turbines à gaz, aube cons- tituée d'un noyau métallique porteur comprenant le pied de l'aube, et d'une enveloppe d'aube en céramique entou- rant ce noyau à une certaine distance et qui est suspen- due sur ce noyau métallique de façon à permettre une ex- pansion élastique. Dans le but d'une utilisation optimale du carburant ainsi que pour obtenir un spectre de puissance optimal, dans les mécanismes d'entraînement par turbines à gaz modernes, notamment dans les mécanismes d'entratne- ment par réaction à turbines à gaz, pour aéronefs, mais également pour les installations à turbines à gaz station- naires, on exige des températures d'entrée dans la turbine toujours plus élevées Au moyen de concepts de refroidisse- ment relativement complexes en ce qui concerne la con- ception et la technique de réalisation, il est certes pos- sible dans le cadre de la technique des mécanismes d'en- tratnement par turbines à gaz actuels de fonctionner avec des températures d'entrée à la turbine qui se situent en partie au-dessus du point de fusion des matériaux cons- tituant les aubes de la turbine Ceci ne peut, bien enten- 2.- du être obtenu qu'en utilisant pour les aubes des maté- riaux d'une qualité particulièrement élevée et relative- ment chère ainsi qu'avec une technique de fabrication en- tratinant une dépense comparativement élevée, auquel cas une consommation relativement élevée d'air de refroidisse- ment est nécessaire et également des perturbations des conditions d'écoulement sont provoquées du fait que des débits d'air de refroidissement comparativement importants et hautement énergétiques en prçvenance des aubes ou bien des enveloppes d'aubes considérées, doivent être directe- ment ramenés dans le flux gazeux. Par le document DE-OS 28 34 843, on connait une aube mobile de turbine constituée d'un noyau métalli- que porteur qui inclut le pied inférieur de l'aube tandis qu'en outre, une pale d'aube en céramique entourant à une certaine distance le noyau métallique doit être prévue. Dans le cas de cette solution connue, le noyau de l'aube doit essentiellement comporter à son ex- trémité supérieure, une tête faisant saillie au moins sur un côté, et sur laquelle doit prendre appui à partir du bas, avec une saillie pénétrant dans l'intérieur de l'aube, la pale d'aube en céramique à paroi mince. Les inconvénients de cette solution connue résident, d'une part, dans les variations brusques et relativement importantes de la section transversale de l'enveloppe en céramique de l'aube, ainsi que d'autre part, dans le montage relativement complexe de l'aube en- traînée notamment par la constitution précitée du noyau dans cette solution connue Par ailleurs, il existe dans ce cas connu, des surfaces de contact ou d'appui relati- vement importantes entre, d'une part, le noyau métallique de l'aube et, d'autre part, l'enveloppe en céramique de l'aube Du fait de cette construction, il y a lieu de tenir compte d'un transfert de chaleur relativement impor- tant entre l'enveloppe et le noyau au cours du fonctionne- 3.- ment d'une telle aube En outre, dans ce cas connu, il s'avère comme désavantageux que les déplacements dés à des causes thermiques entre l'enveloppe de l'aube et le noyau de l'aube, compte tenu notamment des fréquentes variations des contraintes thermiques, ne puissent pas être compen- sés correctement. Du document US-PS 3 867 068, on peut ex- traire, dans le cas d'aubes de turbines pour des mécanis- mes d'entraînement par turbines à gaz, une liaison par broches dont l'exemple ne peut toutefois être retenu que comme une possibilité de fixer une garniture dans l'espace creux de l'aube considérée Par ailleurs, il ne s'agit tou- tefois pas dans ce cas connu d'une aube constituée par une combinaison céramique-métal, et les problèmes précédemment esquissés de telles aubes combinées ne sont en aucune fa- çon évoqués dans ce cas connu, pas plus qu'il n'est indi- qué une voie appropriée pour les résoudre. On connatt en outre par la demande de bre- vet allemande S 9222 Ia/46 f une aube de turbine constituée d'un noyau interne en acier et d'une enveloppe d'aube en céramique entourant extérieurement ce noyau De cette so- lution connue, on ne peut toutefois en aucune façon, ex- traire des moyens de liaison appropriés compte tenu des contraintes dtles à la force centrifuge auxquelles on peut s'attendre dans le cas de vitesse de rotation relati- vement élevée, qui permettraient de fixer l'enveloppe de l'aube en céramique sur le noyau métallique de l'aube d'une façon assurant un fonctionnement tout à fait str ainsi, qu'en même temps une élasticité d'expansion En outre cette solution connue ne fournit aucune suggestion en ce qui concerne une fixation représentant une élastici- té d'expansion de l'enveloppe en céramique de l'aube dans le contexte de surface d'échange thermique aussi réduite que possible dans la zone des emplacements de fixation, entre l'enveloppe en céramique de l'aube et le noyau mé- Z 1213 4.- tallique. L'invention a en conséquence pour but d'évi- ter les défauts précités relatifs aux solutions connues et de créer une aube mobile de turbine du type initialement mentionné, et qui, avec une constitution d'aube relative- ment simple, compense de façon optimale les différentes contraintes thermiques entre, d'une part, l'enveloppe en céramique de l'aube et, d'autre part, le noyau métallique de l'aube En outre, dans le cadre du but assigné à l'in- vention, seule une consommation d'air de refroidissement relativement réduite doit être nécessaire et, de plus, on crée entre l'enveloppe de l'aube et le noyau, une liaison qui, malgré des contraintes centrifuges élevées, assure un fonctionnement s r et une élasticité d'expansion en permettant, d'autre part, un remplacement relativement sim- ple de l'enveloppe de l'aube éventuellement endommagée par rapport au noyau de cette aube L'aube mobile de turbi- ne selon l'invention, doit d'autre part, se distinguer de l'enveloppement de turbine contig Ue à la tète d'aube par des propriétés de mise en route favorables sans qu'il y ait lieu de craindre le risque d'un éventuel endommage- ment des aubes d O à des processus de frottement sur celles- ci. Pour atteindre ce but, l'invention concerne principalement une aube caractérisée en ce que: a) l'enveloppe en céramique de l'aube est susceptible d'être mise en place depuis le haut sur le noyau métal- lique et comporte dans la zone de son extrémité supé- rieure, un voile transversal par l'intermédiaire duquel cette enveloppe est susceptible d'être fixée sur le noyau avec au moins une broche métallique de maintien passant à travers le voile transversal, b) à l'intérieur d'un espace partant de l'extrémité supé- rieure du voile et entouré par l'extrémité, faisant saillie radialement, de l'enveloppede l'aube, se trou- 5.- ve l'extrémité en forme de tète de vis de cette broche de maintien, ainsi qu'une partie d'une couche de frot- tement poreuse déposée sur cette extrémité, et que re- couvre légèrement, à l'instar d'un collet, l'extrémité voisine de l'enveloppe de l'aube, c) la couche de frottement est susceptible de recevoir, par l'intermédiaire d'un canal de refroidissement placé de préférence selon l'axe longitudinal de la broche, de l'air de refroidissement et d'être traversée par cet air, ce canal de refroidissement dans la broche de maintien communiquant avec une amenée d'air de refroidis- sement partant du pied de l'aube. Ainsi, dans le cadre de l'invention, le pro- fil creux en céramique (enveloppe de l'aube) est enfilé sur la structure de base de l'aube mobile (noyau) et fixé sur cette structure de base à l'aide d'une broche métalli- que de maintien ou de plusieurs de ces broches Par la mi- se en place de pièces de forme isolantes entre les surfa- ces de contact en céramique et en métal, le transfert De chaleur b partir de la pièce en céramique sux les pièces constitutiv 6 sportees 'efroidies que constitue le noyau, se trouve réd j t. Comme dans le cas de l'aube mobile conforme à l'invention, les parties métalliques de l'aube combinées ne sont pas au contact du courant de gaz chaud, mais sont uniquement sollicitées thermiquement par le rayonnement thermique et la conductibilité de la pale d'aube en céra- mique, seul un débit extrêmement réduit d'air est néces- saire pour le refroidissement contrairement aux aubes mobiles à haute température classiques Le profil creux en céramique ou l'enveloppe en céramique de l'aube, ne doit pas ainsi être spécialement refroidie en ce qui la concerne On peut ainsi se baser sur une limite de mise en oeuvre de la température d'environ 2000 K. Conformément à une autre variante de l'aube 6.- conforme à l'invention, le noyau métallique de l'aube con- sidérée peut Otre équipé extérieurement avec une configu- ration de refroidissement hautement efficace, dont la struc- ture se situant à la périphérie externe du noyau, peut être délimitée par une enveloppe en tôle La circulation d'air de refroidissement possible entre cette enveloppe en tôle et le noyau de l'aube, empêche ainsi une surchauffe des parties métalliques Pour une protection encore meil- leure contre la chaleur du noyau métallique de l'aube, la face de cette enveloppe en tôle en regard de la cérami- que peut être munie d'une couche réfléchissant le rayon- nement. Pour protéger la pale en céramique de l'aube d'endommagements lors du frottement de l'aube mobile hybri- de conforme à l'invention ou aube combinée, contre le revê- tement du bottier de la turbine, l'invention prévoit une couche de démarrage poreuse qui peut 8 tre fixée extérieure- ment sur les têtes des broches de maintien, et ceci par exemple, par soudure ou bien par une liaison de diffusion appropriée Il est alors prévu que cette c Quche de démar rage fasse légèrement saillie àk l'extérieur au-delà de l'en- veloppe en céramique de l'aube, en considérant que cette couche de démarrage dans le cas d'un frottement des pointes des aubes mobiles de la turbine sur le revêtement externe de la turbine, se trouve partiellement érodée Cette cou- che de démarrage poreuse peut, conformément à l'invention, être en outre protégée de la surchauffe en ce qu'elle est traversée par l'air de refroidissement qui a précédemment refroidi les broches de maintien. La pale en céramique de l'aube exposée au gaz chaud et non refroidi, peut, en cas de réparation, être facilement remplacée après enlèvement de la broche de maintien Ces broches de maintien sont susceptibles d'être reliées au noyau métallique de l'aube par exemple par soudure, par un procédé de diffusion ou bien au moyen 25121 t 3 7.- de vie. L'invention va 8 tre exposée plus en détail en se référant à des exemples de réalisation représentés sur les dessins ci-joints dans lesquels: la figure 1 est une coupe radiale d'une aube selon la ligne I-I de la figure 2, la figure 2 est une vue de dessus de l'au- be selon la figure 1, la figure 3 est une coupe radiale de l'en- veloppe en céramique de l'aube selon la ligne III-III de la figure 4, la figure 4 est une vue de dessus de l'en- veloppe en céramique de l'aube selon la figure 3, la figure 5 est une coupe radiale d'une variante de l'aube conforme à l'invention, sans l'envelop- pe selon la figure 3, et modifiée par rapport à la figure 1 notamment en ce qui concerne l'utilisation supplémentai- re d'un système de refroidissement sur la face externe du noyau. L'aube mobile de turbine représentée sur la figure 1, destinée par exemple à un mécanisme d'entra ne- ment par turbine à gaz, est constituée d'un noyau métalli- que porteur 2 comprenant le pied 1 de l'aube, ainsi que d'une enveloppe en céramique 3 de l'aube entourant à une certaine distance ce noyau 2 du c 8 té de la pale de l'aube. Cette enveloppe en céramique 3 de J'aube est susceptible 4 d'être mise en place à partir du haut sur le noyau métal- lique 2 et comporte, dans la zone de son extrémité supé- rieure, conformément à la figure 4, un voile transversal 7 comportant des perçages radiaux 4, 5 et 6 Par l'inter- médiaire de ce voile transversal 7, l'enveloppe en céra- mique 3 de l'aube peut être fixée sur le noyau 2 au moyen de broches métalliques de maintien, telles que 8 (figure 1) susceptibles d'être mises en place dans les perçages radiaux 4, 5 et 6. 8.- Comme on peut le voir en outre sur la figure 3, à l'intérieur d'un espace 9 partant de l'extrémité su- périeure du voile, et délimité par l'extrémité de l'enve- loppe de l'aube faisant saillie radialement (figure 3), se trouvent des extrémités de broches 10 (figure 1) en' forme de tète de vis, ainsi qu'une partie d'une couche de frottement poreuse 11 déposée sur ces extrémités de bro- ches, et que recouvre légèrement à la façon d'un collet, l'extrémité voisine de l'enveloppe d'aube Cette couche de frottement 11 est susceptible, par l'intermédiaire de canaux de refroidissement 12 placés selon les axes longi- tudinaux des broches, de recevoir de l'air de refroidisse- ment ainsi que d'être en outre, traversés par cet air, Les canaux d'air de refroidissement 12 communiquent avec une arrivée d'air de refroidissement partant du pied de l'aube, Cet air de refroidissement, conformément à la fi- gure 1, est amené par l'intermédiaire d'un espace creux 13 contig U au fond de la rainure du pied de l'aube à un per- çage 14, qui débouche sur le côté opposé au fond de la rai- nure dans l'extrémité d'un trou borgne 15, ménagé à partir du perçage correspondant de la broche 8 La rérence 15 pourrait également définir aussi un canal à partir duquel l'ensemble des canaux d'air de refroidissement des trois broches recevrait simultanément l'air de refroidissement. Cette couche de frottement poreuse 11 peut par exemple être réalisée en un métal fritté ou un métal poreux, et elle peut en outre être fixée sur les extrémités en forme de tête de vis des broches, par exemple grâce à une liaison par soudure ou bien diffusion, Les broches de maintien peuvent être fixées sur le noyau métallique de l'aube mobile par l'intermé- diaire d'une liaison par soudure, par diffusion ou bien par vis, non représentée en détail sur les dessins. Comme on le voit en outre sur la figure 1, dans les zones de contact entre, d'une-part, le noyau 9._ métallique de l'aube ou les broches métalliques et, d'au- tre part, l'enveloppe en céramique de l'aube, on peut dis- poser une couche thermiquement isolante ou bien des pièces de forme thermiquement isolantes 16, qui peuvent être réa- lisées par exemple en titanate d'aluminium ou bien en oxyde de zirconum,. Conformément à la figure 5, la majeure partie du noyau 2 ' de l'aube côté pale, peut être entourée d'une enveloppe en tôle 18 adaptée au contour interne 17 (figure 3) de l'enveloppe en céramique 3 de l'aube Cette envelop- pe en tôle 18 délimite entre elle et la partie côté pale du noyau 2 ' de l'aube, un système de canaux 19 susceptible de recevoir de l'air de refroidissement, et doht la confi- guration est déterminée par une structure externe du noyau métallique 2 ' prévue pour assurer un refroidissement effi- cace de cette pièce constitutive De cette configuration de refroidissement ainsi mentionnée, seuls sont visibles sur la figure 5, les tétons 20 Jouant le rôle de surfaces d'ap- pui entre l'enveloppe 18 et le noyau 2 '. La face de l'enveloppe en tale se trouvant en regard du noyau de l'aube peut être en outre munie d'une couche réfléchissant le rayonnement et qui n'est pas repré- sentée plus en détail sur les dessins. Ce système de canaux de refroidissement 19 délimité par cette enveloppe en tôle 18 selon la figure 5 sur le noyau 2 ' de l'aube, est susceptible de recevoir de l'air de refroidissement en provenance du pied de l'aube. Cet air de refroidissement est tout d'abord canalisé à partir de l'espace creux 13 contig U au fond de la rainure du pied de l'aube par l'intermédiaire d'un canal radial 21 ainsi que par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres ca- naux 21 ' communiquant avec celui-ci à travers le noyau 2 ' de l'aube en direction de l'extrémité supérieure du noyau et de là, amené par l'intermédiaire de canaux 21 se rami- fiant latéralement au système de canaux de refroidissement 10.- 19 La sortie commune de l'air de refroidissement gr Ace à laquelle l'air de refroidissement ainsi alimenté peut être amené à partir du système de canaux 19 au canal de la turbine, est désignée par 22 sur la figure 5, cette sortie commune 22 des canaux de refroidissement débouchant contre la plaque du pied de l'aube. L'enveloppe en céramique 3 de l'aube repré- sentée sur la figure 3, est facilement interchangeable du fait de la liaison par broches précédemment décrite, ainsi que du fait qu'elle est munie d'un voile. Dans la mesure ou cela n'a pas déjà été men- tionné, les matériaux suivants peuvent de préférence être pris comme base pour les autres pièces constitutives es- sentielles s -,pour le noyau métallique 2 ou 2 ' de l'aube t Inconel 100, pour l'enveloppe en céramique de l'aube S carbure de si- licium fritté ou bien nitrure de silicium fritté, pour les broches métalliques de maintien, par exemple 8 figure 1, S Inconel 100, pour l'enveloppe de l'air de refroidissement 18 (figure ) S Inconel 625. L'invention s'applique à tous les types de turbines de machines à flux gazeux susceptibles d'être ali- mentées avec des gaz à haute température, tel es que des ensembles d'entraînement par turbines à gaz destinée à une exploitation fixe, ainsi que des ensembles d'entraînement à réaction par turbines à gaz destinés à des aéronefs. Sans modifier quoi que ce soit à la nature de l'invention, et contrairement aux exemples de réalisa- tion représentés, l'invention pourrait être également mi- se en pratique avec une liaison par broche comportant seu- lement une broche métallique de maintien unique pour la fi- xation de l'enveloppe en céramique de l'aube sur le noyau métallique de l'aube. 11._ R V E N D I C A T I O N S 1. Aube mobile de turbine pour machine à flux gazeux notamment pour des mécanismes d'entraînement par turbine à gaz, aube constituée d'un noyau métallique porteur comprenant le pied de l'aube, et d'une enveloppe d'aube en céramique entourant ce noyau à une certaine distance, et qui est suspendue sur ce noyau métallique de façon à permettre une expansion élastique, aube carac- térisée en ce que: a) l'enveloppe en céramique ( 3) de l'aube est susceptible d'être mise en place depuis le haut sur le noyau mé- tallique ( 2) et comporte dans la zone de son extrémité supérieure, un voile transversal ( 7) par l'intermédiai- re duquel cette enveloppe est susceptible d'être fixée sur le noyau avec au moins une broche métallique de maintien ( 8) passant à travers le voile transversal, b) à l'intérieur d'un espace ( 9) partant de l'extrémité supérieure du voile et entouré par l'extrémité, faisant saillie radialement, de l'enveloppe de l'aube, se trouve l'extrémité ( 10) en forme de tète de vis de cette broche de maintien ( 8) ainsi qu'une partie d'une couche de frottement poreuse ( 11) déposée sur cette extrémité, et que recouvre légèrement, à l'instar d'un collet, l'extrémité voisine de l'enveloppe de l'aube. c) la couche de frottement ( 11) est susceptible de rece- voir, par l'intermédiaire d'un canal de refroidisse- ment ( 12) placé de préférence selon l'axe longitudinal de la broche, de l'air de refroidissement et d'Vtre traversée par cet air, ce canal de refroidissement dans la broche de maintien communiquant avec une ame- née d'air de refroidissement partant du pied de l'aube. 2. Aube mobile de turbine selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que la couche de frottement 12 - poreuse (il) , constituée par exemple d'un métal fritté ou poreux, est fixée par exemple par uhe liaison par soudure ou par diffusion à l'extrémité en forme de tête de vis de la broche de maintien. 3 Aube mobile de turbine selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la broche de maintien ( 8) est susceptible d'être fixée sur le noyau métallique ( 2) par l'intermédiaire d'une liaison par soudure, par diffusion ou bien par vis. 4 Aube mobile de turbine selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que dans les zones de contact entre, d'une part, le noyau métal- lique de l'aube ou bien la broche métallique ou les broches métalliques et, d'autre part, l'enveloppe en céramique de l'aube, sont disposées des isolations thermiques ou bien des pièces de formé d'isolation thermique ( 16), par exemple en titanate d'aluminium ou bien en oxyde de zirconium. 5. Aube mobile de turbine selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la majeure partie du noyau de l'aube côté pale ( 2 ') est entourée d'une enveloppe en Lôle ( 18) adaptée au contour interne de l'enveloppe en céramique ( 3) de l'aube, cette enveloppe en tôle délimitant entre elle et cette partie côté pale du noyau de l'aube, un système de canaux ( 19) susceptible de recevoir de l'air de refroidissement, et dont la configuration est déterminée par une évolution de la structure externe du noyau métallique correspondant à un refroidissement hautement efficace de cette pièce cons- titutive. 6 Aube mobile de turbine selon la reven- dication 5, caractérisée en ce que la face de l'enveloppe en tôle ( 18) en regard du noyau ( 2 ') de l'aube est munie d'une couche réfléchissant le rayonnement. 7. Aube mobile de turbine selon l'une quel- conque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que 13.- le système de canaux de refroidissement ( 19) délimité sur le noyau ( 2 ') de l'aube par l'enveloppe en tôle ( 18) est susceptible de recevoir de l'air de refroidissement en provenance du pied de l'aube, cet air étant tout d'abord canalisé par l'intermédiaire de canaux radiaux ( 21, 21 ') * à travers le noyau ( 2 ') de l'aube en direction de l'ex- trémité supérieure de ce noyau et étant à partir de là, amené par l'intermédiaire d'une dérivation latérale de canal ( 21) à ce système de canaux de refroidissement ( 19) dont la sortie commune d'air de refroidissement ( 22) dé- bouche contre la plaque de pied ( 1) de l'aube dans le ca- nal de la turbine. 8. Aube mobile de turbine selon l'une quel- conque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'enveloppe en céramique ( 3) de l'aube peut être remplacée après suppression de la liaison par la broche de maintien. 9. Aube mobile de turbine selon l'une quel- conque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'enveloppe en céramique de l'aube est susceptible d'être fixée au noyau métallique de l'aube par plusieurs broches de maintien métalliques, qui sont chacune munies d'au moins un canal de refroidissement, et sur les extrémités en forme de tète de vis desquelles est susceptible d'être déposée la couche de frottement ( 11), le voile transversal ( 7) comportant alors plusieurs perçages radiaux succes- sifs ( 4, 5, 6) en nombre "correspondant au nombre des bro- ches de maintien mises en oeuvre -