Brevet FR2560640A1 — publié le 19850906

"Procédé et moyens pour éviter la naissance du feu de titane." L'invention concerne un procédé et des moyens pour éviter le feu de titane dans des unités de machine réalisées pour l'essentiel en titane ou en un alliage de titane, dans lesquelles au moins un élément rotatif e). directement voisin d'une partie de structure, statique cr titane. Dans les turboréacteurs ou turbines à 9a- notamment les turboréacteurs d'avion, on utilise notamment des alliages de titane pour réaliser le carter, les rotors et les aubes. En cas d'incidents au niveau du turboréacteur, pour lesquels un corps étranger au moteur ou une partie par exemple arrachée du moteur est coincé dans le compresseur, par exemple par l'aubage en titane contre le carter en titane et est entrainé dans la direc- tion périphérique, le frottement peut entraîner une sur- chauffe locale des aubes et du carter. Le même incident peut se produire lorsque, par exemple, des aubes en tita- ne ou d'autres parties du rotor, en titane, touchent des pièces statiques en titane, par suite de la disparition du jeu axial ou radial. Pour des conditions d'environne- ment correspondantes, cela peut se traduire par une combus- tion assimilable à une explosion pour le titane à l'en- droit du frottement. On connait des cas dans lesquels des particules de titane en combustion, projetées, ont tra- versé plusieurs parois du carter (également en acier) 256064 O jusqu'à ce, après la disparition des conditions environ- nantes, le "feu de titane" s'est éteint de lui-même. Seu- les des circonstances favorables ont pu éviter selon les connaissances actuelles, des catastrophes dans le trafic aérien. Pour pouvoir utiliser les avantages du titane (faible densité pour une résistance remarquable jusqu'à environ 450 C>, on a proposé entre autres les mesures sui- vantes: -plus fort dimensionnement des aubes de rotor et les au- bes directrices pour éviter une rupture en cas de choc avec un corps étranger. - écartement axial ou radial plus important entre les com- posants rotatifs et les composants statiques en titane pour éviter le frottement en cours de fonctionnement. - revêtement des parties statiques par un moyen de protec- tion lors d'un frottement accidentel. - composants statiques en acier, et - nappes de protection en carbone/résine de polyimide pour les composants qui, en cas de "feu de titane" sont expo- sés à la projection des particules de titane en combus- tion. Ces mesures se traduisent par une série d'in- convénients dont les plus importants sont les suivants: - profil d'aubage à poids plus élevé, gênant sur le plan aérodynamique. -grand intervalle défavorable avec perte d'air de fuite correspondant. - pour des raisons aérodynamiques, le revêtement n'est pos- sible que partiellement, sans pourvoir mettre un terme de façon décisive aux risques mentionnés. - sur poids disproportionné. - les nappes ne sont utilisables que jusqu'à une tempéra- ture de fonctionnement maximale de 2600 C, c'est-à-dire qu'elles ne peuvent être utilisées directement aux sources d'allumage possibles, par exemple dans le cas d'un compresseur haute pression. L'invention a pour but de remédier aux in- convénients propres aux mesures proposées et de permettre de s'opposer de façon optimale, avec des moyens relative- ment simples, à une éventuelle extension du "feu de titane". Le problème posé est résolu selon l'inven- tion en ce que les contours radialement à l'extérieur (par rapport à l'axe de rotation concerné) du -composant de structure statique par exemple, ont une couche en un matériau très conducteur de chaleur. Le montage et la réalisation ainsi indiqués de la couche permettent d'évacuer de façon extrêmement rapide la chaleur de frottement engendrée, de façon à éviter que l'on atteigne la température d'allumage du carter en titane. L'énergie calorifique localement élevée est ainsi mise à un niveau plus faible grâce à l'évacua- tion de la chaleur et à la grande surface. De cette ma- nière, on évite dès l'origine la formation du "feu de titane". Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la couche très conductrice de chaleur est une couche métallique projetée par projection à la flamme ou au plasma. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la couche très conductrice de chaleur est appli- quée sous la forme d'un liquide analogue à une peinture par pinceau ou par projection. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la couche très conductrice de chaleur est appli- quée sous la forme d'une masse pâteuse. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la couche très conductrice de chaleur est de l'alliage d'aluminium. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau constituant la couche se compose à 94 % d'aluminium et à 6 % d'argent. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau de revêtement est un alliage de cui- vre. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau de revêtement est un alliage de cui- vre, de zinc et d'argent. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau de la couche se compose à 38 % de cuivre, à 32 % de zinc et à 30 % d'argent. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le procédé est appliqué à des turbines à-gaz fixes ou turbines d'avion notamment à un ou plusieurs com- presseurs axiaux et/ou radiaux de tels turboréacteurs. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la couche très conductrice de chaleur est appli- quée dans la direction axiale et dans la direction radiale. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le composant statique de la structure est la paroi extérieure du carter jouant le rôle de support des aubes directrices, et qui le cas échéant, se compose de plusieurs segments de paroi. Enfin suivant une autre caractéristique de l'invention, la paroi extérieure est munie sur sa face extérieure et sa face intérieure d'une couche très con- ductrice de chaleur, et fait au moins partiellement corps avec la paroi extérieure du canal du compresseur ou d'un segment de paroi. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation d'un compresseur axial pour turboréacteur représenté en coupe longitudinale partielle dans l'unique figure annexée. Selon la figure, dans l'exemple de réalisa- tion du compresseur axial, la paroi extérieure du canal directement voisine du rotor du compresseur faisant par- tie de la structure statique du carter se compose des différents segments de paroi 1, 2, 3 et 4; dans le cas présent, ces segments de paroi sont réunis par exemple par des vis au niveau des brides. Une autre bague d'appui située plus à l'extérieur porte la référence 5. Les seg- ment de paroi 1, 2, 3 et 4, la bague d'appui 5 ainsi que d'autres composants du carter extérieur G, F représenté aux dessins, doivent être réalisés en titane ou en un alliage de titane, les segments de paroi comme par exemple les segments 2, 3 et 4 constituant en même temps les sup- ports pour les aubes directrices 6, 7 et 8 qui, le cas échéant peuvent être réalisées en un matériau métallique comme par exemple un alliage de nickel. Les disques de rotor 9, 10, 11, 12 du rotor, les aubes 13, 14, 15 cor- respondantes ainsi que les éléments d'anneau intermédiai- res 17, 18, 19 du rotor sont réalisés en titane ou en un alliage de titane. Les disques des rotors peuvent égale- ment être réalisés en un métal approprié. La caractéristique fondamentale de l'inven- tion consiste à appliquer sur les contours radialement à l'extérieur par exemple la structure statique compre- nant les contours radialement à l'extérieur (par rapport à l'axe correspondant au rotor) par exemple les segments de paroi 1, 2, 3 et 4, une couche S en un matériau très conducteur de chaleur. Par exemple en cas de rupture d'une aube 6 du premier étage de compresseur à l'endroit 17', on peut penser que le morceau arraché se coince au-delà de l'aube 14 à l'endroit portant la référence 20 et est entraîné dans la direction périphérique. La chaleur de friction ainsi engendrée, ne doit pas provoquer l'allumage du seg- ment de paroi de carter 3 correspondant grâce à l'évacua- tion extrêmement rapide de la chaleur engendrée par le frottement, par l'intermédiaire de la couche S correspon- dante, pour être réduite à un niveau de température infé- rieur à la température d'allumage du titane du carter (segment de paroi 3) . On évite ainsi d'emblée le "feu de titane". L'objet de l'invention s'utilise avantageu- sement lorsque, selon un exemple de réalisation, si dans la zone comprise entre l'avant-dernier et le dernier étage du compresseur axial, au moins une structure de paroi de canal de compresseur, extérieure, partiellement encastrée, est difficilement accessible notamment Iorsque le compres- seur est monté et/ou interrompue par une ou plusieurs ouvertures de soufflage (fente 21), la fente de soufflage 21 débouchant dans une chambre annulaire 22 dont la paroi extérieure 4' est guidée de façon essentiellement paral- lèle par-dessus la fente de soufflage 21 et la partie 23 difficilement accessible de la paroi extérieure du canal de compresseur. Dans ce cas, il est avantaoeux que la paroi extérieure 4' soit munie sur sa face extérieure et sur sa face intérieure d'une couche S ou S' ayant d'excellen- tes caractéristiques de conductibilité thermique; la paroi extérieure 4' est de préférence partie intégrante de la paroi extérieure du canal de compresseur ou dans ce cas du segment de paroi 4. Si, dans l'hypothèse du montage ci-dessus, un corps étranger incandescent ou une particule de titane devait être expulsé à travers la fente de soufflage 21 dans la chambre annulaire 22, il peut également se pro- duire dans ce cas et cela notamment grâce aux revêtements intérieur et intérieur S et S' de la paroi extérieure 4' avec un matériau extrêmement conducteur de chaleur, reliée à la structure très conductrice de chaleur du car- ter, en évitant avec certitude que ne se déclenche le "feu de titane". l'objet de l'invention est évidemment avan- tageux pour d'autres ensembles de machines réalisés en titane ou en alliage de titane,lesquels il y a au moins une partie de structure statique en titane directement voisine d'un élément tournant; ainsi, dans le cadre de la caractéristique de base de l'invention, les contours radialement à l'extérieur (par rapport à l'axe de rota- tion correspondant) pour la partie de structure statique concernée, peuvent recevoir une couche d'un matériau très conducteur de chaleur. Pour l'efficacité de l'invention, il est important que les couches correspondantes S et S', très conductrices de chaleur, assurent une liaison aussi intime ou aussi bonne que possible avec le matériau à base de titane, concerné. Cela est utilisé avantageusement grâce aux caractéristiques de l'invention selon lesquelles la couche très conductrice de ehaleurest une couche appli- quée par projection à la flamme ou au plasma ou encore comme liquide analogue à une peinture que l'on applique au pinceau ou en les pulvérisant, par exemple une laque métallique ou une masse pâteuse. D'une part dans le cadre des critères de fonctionnement ainsi que pour la mise en oeuvre de l'in- vention, les matériaux appropriés pour réaliser la cou- che découlent dans le détail mais également en combinai- son partielle des caractéristiques suivantes, à savoir: - l'utilisation d'un alliage en aluminium comme couche très conductrice de chaleur, et qui suivant une autre caractéristique peut se composer à 94 % d'aluminium et à 6 % d'argent. - l'utilisation d'un alliage de cuivre ou - l'utilisation d'un alliage. de cuivre, de zinc ou d'ar- gent comme matériau constituant la couche et notamment à 38 % de cuivre, à 32 % de zinc et à 30 % d'argent. L'invention convient également pour les applications à des installations fixes de turbines à gaz ou des turboréacteurs d'avion notamment des turboréac- teurs à un ou plusieurs compresseurs axiaux- et/ou - radiaux. En outre, il est avantageux d'appliquer la couche très conductrice de chaleur dans la direction axiale et dans la direction radiale afin que par exemple dans le cas d'une structure de compresseur axial selon la figure, la zone de la bride radiale ainsi que l'arrondi radial, prédéterminés, mais également les parois périphé- riques extérieures essentiellement parallèles à l'axe de rotation, puissent être munis de tous côtés et de façon homogène d'une couche de matière de revêtement. Notamment au point de vue d'une conception de compresseur axial selon la figure, l'avantage essen- tiel de l'invention découle de ce que la structure stati- que ou paroi de carter, tournée vers l'intérieur, en direction du rotor ou des pointes directement adjacentes des aubes, (à l'exception le cas échéant des revêtements habituels des aubes) reste conservée intégralement sur le plan aérodynamique. Il en est de même du rotor qui permet de conserver,dans une très large mesure,l'utilisa- tion du titane comme matériau,sans entraîner de conséquen- ces gênantes ou sans avoir à faire de compromis sur le plan aérodynamique ou sur le plan du poids. En d'autres termes, la composante correspondante du turboréacteur par exemple le compresseur, peut être réalisée initiale- ment de façon optimale sur le plan du cycle aéro-thermo- dynamique, sans avoir à prendre le risque d'engendrer le "feu de titane". Z560640 R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS 1 0) Procédé et moyenspour éviter le "feu de titane" dans des unités de machine réalisées pour l'es- sentiel en titane ou en un alliage de titane, dans les- quelles au moins un élément rotatif est directement voi- sin d'une partie de structure, statique en titane, caractérisés en ce que les contoursradialement à l'exté- rieur (par rapport à l'axe de rotation concerné) du com- posant de structure statique par exemple (3), ont une couche (S) en un matériau très conducteur de chaleur. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche très conductrice de cha- leur est une couche métallique projetée par projection à la flamme ou au plasma. 3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche très conductrice de cha- leur est appliquée sous la forme d'un liquide analogue à une peinture par pinceau ou par projection. 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche très conductrice de cha- leur est appliquée sous la forme d'une masse pâteuse. ) Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche très conductrice de chaleur est de l'alliage d'aluminium. 6 ) Procédé et application du revêtement selon la revendication 5, caractérisés en ce que le maté- riau constituant la couche se compose à 94 % d'aluminium et à 6 % d'argent. 7 ) Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau de revêtement est un alliage de cuivre. 8 ) Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau de revêtement est un alliage de cuivre, de zinc et d'argent. 9 ) Procédé et application de la couche selon la revendication 8, caractérisés en ce que le maté- riau de la couche se compose à 38 % de cuivre, à 32 % de zinc et à 30 % d'argent. ) Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est appliqué à des turbines à gaz fixes ou turbines d'avion notamment à un ou plusieurs compresseurs axiaux et/ou radiaux de tels turboréacteurs. 11 ) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la couche très conductrice de cha- leur est appliquée dans la direction axiale et dans la direction radiale. 12 ) Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 11 notamment dans son application à un com- presseur axial à un ou plusieurs étages, procédé caracté- risé en ce que le composant statique de la structure est la paroi extérieure du carter jouant le r8le de support des aubes directrices, et qui le cas échéant, se compose de plusieurs segments de paroi (1, 2, 3, 4). 13 ) Procédé notamment dans son application selon la revendication 12 avec une structure de paroi de canal extérieure de compresseur au moins partiellement intégrée notamment difficilement accessible à l'état mon- té du compresseur et/ou coupée par un ou plusieurs orifi- ces de soufflage, le ou les orifices de soufflage débou- chant dans une chambre annulaire dont la paroi extérieure passe pour l'essentiel parallèlement au-dessus de la zone de soufflage et/ou de la partie difficilement accessible de la paroi extérieure du canal de compresseur, caracté- risé en ce que la paroi extérieure (4') est munie sur sa face extérieure et sa face intérieure d'une couche très conductrice de chaleur (S, S'), et fait au moins partiel- lement corps avec la paroi extérieure du canal du compres- seur ou d'un segment de paroi (4).