Brevet FR2528908A1 — publié le 19831223

La présente invention concerne un bandage externe étanche à l'air pour les moteurs à turbine à gaz et en particulier des bandages enduits d'une matière céramique abrasable. Les principes de l'invention ont été dévelop- pés dans l'industrie des moteurs à turbine à gaz pour être utilisés dans les sections de turbine des moteurs à turbine à gaz mais ont des possibilités d'applicationsplus larges dans cette industrie ainsi que dans d'autres. Dans les moteurs à turbine à gaz modernes, les gaz du milieu de travail ont des températures dépas- sant 1093 C et on les fait passer au travers de rangées de pales de turbines pour l'extraction de l'énergie du milieu en mouvement Un bandage aussi appelé joint externe étanche à l'air entoure chaque rangée de pales de turbine pour empêcher la fuite des gaz de milieu de travail par-dessus les profils d'extrémité des pales. Les joints externes étanches à l'air de certains moteurs sont réalisés en un substrat métallique auquel un revêtement de barrière thermique est appliqué pour la protection du joint contre les gaz du milieu de travail à haute température Les matières céramiques sont généralement reconnues comme isolant thermique efficace et sont largement utilisées dans de telles applications de joints Aussi longtemps que le revêtement de matière céramique reste intact, la matière céramique empêche une détérioration inacceptable du métal auquel e Readhère. Des structures durables capables d'un service fiable à long terme dans le milieu hostile de la turbine sont recherchées Les besoins spécifiques sont une grande capacité à haute température, et une bonne résistance aux chocs thermiques En outre, pour les applications aux joints de turbine la structure doit avoir une surface adéquate capable d'être abrasée pour empêcher une interférence destructrice lors d'un contact par frottement du joint par les pales du rotor qu'il entoure et une -2- bonne résistance à l'érosion, en particulier au bord avant du joint pour empêcher une usure excessive lors de chocs avec des particules entraînées par le milieu de travail sur le joint Dans certains moteurs, les gaz du milieu de travail chaudsseuls peuvent être érosifs. Les brevets US No 3 091 548, 3 817 719, 3 879 831, 3 911 891, 3918 925, 3 975 165, 4 109 031, 4 163 071 et 4 289 446 sont des exemples de principes connus applicables à des joints recouverts de matière céramique. Bien que de nombreuses matières et procédés décrits dans les brevets ci-dessus sont reconnus comme étant hautement souhaitables, les structures qui en résul- tent doivent toujours être améliorées pour des applications dans un milieu hostile L'un des problèmes particuliers qui restent à résoudre dans des applications de joints externes étanches àl'air est l'équilibre requis pour une bonne aptitudîe à l'abrasion en réponse à un contact par frottement avec une pale et une bonne résistance à l'érosion due aux particules entraînées dans le courant de milieu de travail. Selon la présente invention, la matière de revêtement céramique du joint externe étanche à l'air de la turbine est réalisée pour obtenir une première densité de surface au bord avant du joint et une densité de surface inférieure en aval de celui-ci de sorte que l'aire de la première densité soit plus résistante à l'usure par l'érosion due aux particules étrangères et l'aie de densité inférieure est plus aisément abrasée en faisant passer les pales de rotor dans le milieu installé. Selon un mode de réalisation de l'invention, la matière de revêtement céramique est formée de deux ou plusieurs couches de densités décroissantes, la couche supérieure est de densité la plus faible ayant une surface vitreuse dans la zone du bord avant. -3- Une caractéristique principale de la présente invention est la haute densité superficielle de la matière céramique dans la région du bord d'attaque du joint externe étanche à l'air Dans au moins un mode de réalisation on.obtient une densité de surface élevée prvitrification d'une matière céramique autrement poreuse D'autres caractéristiques de modes-de réalisation spécifiques sont la matière céramique poreuse dans la région moyenne du joint et la couche céramique dense entre la matière céramique poreuse et toute matière métallique. Un avantage principal de la présente invention est la susceptibilité réduite du joint de s'éroder au bord avant Des particules piégées dans le courant de gaz du milieu de travail peuvent être déviées de la surface vitreuse dans la zone du bord avant sans érosion sérieuse Néanmoins, une bonne aptitude à l'abrasion au- dessus des profils d'extrémité de pales de rotor est maintenue en conservant la porosité de surface dans cette région. Pour que l'invention puisse être mieux compri- se, référence'est faite aux figures suivantes o La figure 1 est une élévation de côté simplifiée de moteur à turbine à gaz, une partie de l'en- ceinte de la turbine étant éclatée pour révéler le rapport entre le bandage externe étanche à l'a Lr et les pales de la turbine; la figure 2 est une vue partielle en perspecti- vé du bandage externe étanche à l'air de la figure 1 représentant la zone de haute densité de surface du bord avant du joint; la figure 3 est une vue partielle en perspecti- ve du bandage externe étanche à l'air de la figure 1 montrant des parties de haute densité de surface à la fois dans les zones du bord avant et du bord arrière du joint; la figure 4 est un autre mode de réalisation de la structure de la figure 2; -4- la figure 5 est un autre mode de réalisation de la structure de la figure 3; et la figure 6 est une microphotographie d'un revêtement céramique dont on a densifié la surface jusqu'à une épaisseur d'environ 0,127 mm. L'invention est décrite en rapport avec un mode de réalisation préféré de bandage externe étanche à l'air de turbine d'un moteur de turbine à gaz Un tel moteur est représenté dans la figure 1 Le moteur principa- lement est constitué d'une section de compresseur 10, d'une section de combustion 12, et d'une section de turbine 14 Un assemblage de rotor 16 s'étend axialement au travers du moteur Les pales du rotor, telf W O ge la pale unique 18 représentée, sont disposées en ra 4 geset s'étendent vers l'extérieur sur l'assemblage du rotor au travers du parcours des gaz du milieu de travail Chaque pale de rotor à un profil d'extrémité 22. Un assemblage de stator 24 comportant une enceinte 26 entoure l'assemblage de rotor 16 Un bandage externe 28 étanche à l'air entoure les profils d'extrémité 22 des pales du rotor Chaque bandage externe étanche à l'air est réalisé habituellement en une pluralité de segments arqués, disposés bout à bout autour de l'intérieur du moteur. Une partie du segment 30 de bandage externe étanche à l'air fabriqué selon les principes de l'invention est représentée dans la figure 2 Les gaz long du milieu de travail du parcours 20 du moteur se déplacentlel du joint depuis l'extrémité en amont ou bord avant 32 jusqu'à l'extrémité en aval ou bord arrière 34 Dans des buts d'identification, la surface du joint est divisée en une zone de bord avant 36, une zone moyenne 38 et une zone de bord arrière 40 La zone moyenne comprend essentiel- lement cette partie de la surface du joint qui est brossée par le passage de la pale du rotor La zone du bord avant est à l'avant de-cette partie et la zone du bord arrière est -5- à l'arrière de cette partie. Dans la construction représentée, chaque segment 30 de joint externe étanche à l'air est formée autour d'un substrat métallique 42 Des couches multiples dé matière métal/matière céramique de compositions variant graduellement adhèrent au substrat pour produire un joint recouvert de matière céramique Ainsi qu'on l'a représenté, les couches multiples comprennent un revêtement liant 44 d'alliage de nickel-chrome-aluminium, deux couches 46 d'oxyde de zirconium (Zr O 2) mélangées à de l'al- liage de cobalt-chrome-aluminium-yttrium (Co Cr Al Y), une couche dense 48 entièrement en matière céramique d'oxy- de de zirconium (Zr O 2) et une couche poreuse 50 entièrement en matière céramique d'oxyde de zirconium. Le but des couches de matières céramiques dans une structure de joint externe étanche à l'air est double: réaliser une barrière thermique, protégeant le substrat contre les gaz du milieu de travail chaud de la turbine arqjues le substrat serait autrement exposé, et de réaliser un joint abrasable s'adaptant aux excursions thermiques des pales de rotorqu'il entoure sans interféren- ce destructrice Les caractéristiques souhaitées de la matière comprennent une bonne aptitude à l'abrasion lorsqu' elle est heurtée par les pales du rotor qui passent et une bonne résistance à l'érosion Les deux caractéristi- ques ne sont pas toujours compatibles dans des compositions formulées de manière identique Obtenir les deux caractéris- tiques dans la même structure est le but de la présente invention Le gaz du milieu de travail passant dans le parcours du moteur peuvent contenir des particules de poussière ou autre corps étranger et, au moment o les gaz du milieu atteignent la zone de la turbine, ils peuvent également contenir des particules de carbone provenant de la zone de combustion du moteur De telles particules lorsqu'elles heurtent la surface du joint externe étanche à l'air sont susceptibles d'éroder la -6- matière de celui-ci, en particulier si la matière est poreuse et a une résistance mécanique modérée ou faible. Dans certains moteurs les gaz chauds en eux-mêmes peuvent être érosifs. C'est pour cette raison que les joints de la présente invention sont fabriqués pour comprendre une zone 52 de matière céramique de haute densité de surface dans la zone 36 du bord avant par rapport à la densité de surface de la matière céramique dans la zone moyenne 38 des pales de rotor La résistance à l'érosion est améliorée sans destruction de l'aptitude à l'abrasion souhaitée par les profils d'extrémité des pales. Dans le mode de réalisation représenté dans la figure 2, la région de haute densité de surface est produite par des techniques à énergie dirigée avec chauffage localisé, par exemple au moyen d'une torche de plasma ou au laser La matière céramique à la surface est fondue par cette énergie dirigée et lorsqu'elle se refroidit elle forme un état très dense et d'apparence vitreuse Les particules etles gaz sortant de la zone vitreuse sont déviés de la surface en provoquant peu d'éro- sion. L'épaisseur préférée de la partie vitreuse ou matière de haute densité est de l'ordre de 0,127 à 0,257 mm dans la matière céramique avec une structure spécialement dense à la surface Des épaisseurs supérieures ou inférieures peuvent être acceptables mais l'épaisseur doit d'abord être suffisante pour réaliser une résistance à l'érosion pendant une durée de vie suffisante et ensuite ne doit pas être trop élevée pour ne pas être thermiquement incompatible avec le substrat poreux auquel la matière vitreuse adhère L'incompabilité thermique vraisemblablement provoque une fissuration latérale à l'interface entre la matière vitreuse et le substrat et un écaillage résultant de la matière vitreuse Lorsqu'on maintient les épaisseurs dans l'intervalle préféré, un réseau vertical de fissura- -7- tionsdans le substrat Pénètrera vraisemblable-ment dans la surface vitreuse et l'écaillage sera évité Dans certains modes de réalisation, il peut également être souhaitable de produire similairement une zone 54 de matière céramique dense et vitreuse dans la zone 40 du bord arrière comme il est montré dans la figure 3. Les avantages de la présente invention peuvent similairement être obtenus sous autres formes telle que la structure représentée par la figure 4. La matière céramique dense, teleque celle comprise dans la première couche de matière céramique 48, est déposée dans la zone 36 du bord avant La matière céramique poreuse dans la couche 50 peut rester au-dessus des profils d'ex- i 5 trémité des pales De la matière céramique dense peut également être déposée dans la zone du bord arrière comme il est montré dans la figure 5 * Une densification acceptable de l'oxyde de zirconium (Zr O 2) constituant lamatière céramique a été obtenue par fusion au chalumeau de plasma en utilisant un chalumeau METCO 7 mb (désignation commerciale) avec une buse du type GE sous les conditions montrées dans le tableau suivant: Chalumeau Distance à la pièce à travailler 31,75 mm Courant 680 ampères Tension 75 volts Gaz de l'arc Principal Gaz Azote Pression 0,344 M Pa Débit 2265,36 dm 3/heure Secondaire Gaz hydrogène Pression 0,344 M Pa Débit 1415,85 dm 3/heure Transfert de chaleur Vitesse 18,3 m/min. Nombres de passes 1 -8- Augmentation entre passes 3,17 mm Préchauffage du substrat Température au départ température ambiante Température à la fin température ambiante Refroidissement aucun La microphotographie de la figure 6 montre l'épaisseur de la pénétration obtenue Les effets de densification sont les plus grands jusqu'à une épaisseur de 0,025 mm avec pénétration jusqu'à une épaisseur d'envi- ron 0,127 mm. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au bandage externe étanche à l'air qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'inven- tion. -9 _ Revendication: 1 Bandage externe étanche à l'air du type entourant les pales de rotor de la turbine d'un moteur à turbine à gaz et ayant une zone de bord avant 36 à l'avant des pales, une zone moyenne ( 38) opposée aux pales et une zone arrière ( 40) à l'arrière des pales, caractérisé en ce qu'il comprend un revêtement de matière céramique abrasable ( 52) ayant une densité de surface plus élevée dans la zone ( 36) du bord avant du bandage que dans la zone ( 38) moyenne du bandage. 2 Bandage externe étanche à l'air selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que ce revêtement ( 54) a une densité de surface plus élevée dans la zone du bord arrière ( 40) que dans la zone moyenne ( 38) du bandage. 3 Bandage externe étanche à l'air selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que cette zone ( 36, 40) de densité plus élevée s'étend sur une épaisseur d'environ 0,127 0,254 mm dans le revête- ment. 4 Bandage externe étanche à l'air selon la revendication 3, caractérisé en ce que ce revêtement de matière céramique abrasable est en oxyde de zirconium (Zr O 2).