Brevet FR2560641A1 — publié le 19850906

"Installation pour éviter l'extension du "feu de titane" dans les turbomachines notamment les turbines à gaz ou des turbines à gaz ou des turboréacteurs ". L'invention concerne une instla-llation pour éviter l'extension du "feu de titane" pour des turboma--. chines notamment des turbines à gaz ou des turboréacteurs dans lesquels au moins un composant de la turbine, par exemple le compresseur y compris les tructures statiques interne et externe et le rotor, sont pour l'essentiel ou en grande partie réalisés en titane ou en un alliage de titane. Dans les turboréacteurs ou turbines à gaz 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 turbo- réacteur, 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 direction péri- phérique, le frottement peut entraîner une surchauffe locale des aubes et du carter. Le même incident peut se produire lorsque, par exemple, des aubes en titane 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'environnement cor- respondantes, cela peut se traduire par une combustion assimilable à une explosion pour le titane à l'endroit du frottement. On connait des cas dans lesquels des par- ticules de titane en combustion, projetées, ont traversé plusieurs parois du carter (également en acier) jusqu'à ce qu' après la disparition des conditions environnantes, le "feu de titane" s'est éteint de lui-même. Seules des circonstances favorables ont pu éviter selon les connais- sances 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 suivantes: - plus fort dimensionnement des aubes de rotor et les aubes directrices pour éviter une rupture en cas de choc avec un corps étranger. - écartement axial ou radial plus important entre les composants rotatifs et les composants statiques en titane pour éviter le frottement en cours de fonction- nement. - 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 exposés à la projection des particules de titane en combustion. 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 possible que partiellement, sans pouvoir mettre un ter- me de façon décisive aux risques mentionnés. - sur poids disproportionné. - les nappes ne sont utilisables que jusqu'à une tempéra- ture de fonctionnement maximale de 260 C, c'est-à-dire qu'elles ne peuvent être utilisées directement aux-sour- ces d'allumage possibles, par exemple dans le cas d'un compresseur haute pression. L'invention a pour but de remédier aux incon- vénients propres aux mesures proposées et de permettre de s'opposer de façon optimale, avec des moyens relativement simples, à une éventuelle extension du "feu de titane". A cet effet, l'invention concerne une ins- tallation du type ci-dessus,*caractérisée en ce qu'une structure statique interne (A), directement adjacente au rotor, est suivie par une structure statique externe (B), à une certaine distance radiale et dont la surface inté- rieure est munie d'une couche (S) très conductrice de chaleur. Dans la solution proposée, pour un cas ex- trême, on accepte la combustion de la structure statique interne ou de la paroi de carter tournée directement vers le rotor ou les aubes en garantissant que la partie de titane, arrachée, incandescente, arrive sur la couche très conductrice de chaleur prévue sur la structure ex- terne qui fait directement suite ou sur sa paroi externe; la couche très conductrice de chaleur permet de répartir de façon la plus rapide possible l'énergie thermique arri- vant ponctuellement pour la partie de titane incandescen- te concernéeen répartissant cette chaleur pour n'attein- dre en aucun cas la température d'allumage de la structu- re de carter, statique externe,normalement fortement sol- licitée ou de la paroi externe. Sans risque d'extension du feu de titane, on peut ainsi limiter un tel incident à la structure statique interne du carter; ainsi dans tous les cas, on évite le risque d'une combustion traver- sant complètement les autres parties de la structure - entre autres Jusqu'à la cellule de l'avion. Il en résulte notamment un autre avantage essentiel à savoir que la structure statique interne ou la paroi du carter, direc- tement tournée vers le rotor ou les pointes des aubes du rotor, peuvent toujours être réalisées avec une forme aérodynamique, sans défaut, à l'exception le cas échéant du revêtement habituel appliqué par pinceau sur les aubes. Même pour le rotor correspondant, on peut utiliser dans une très large mesure le titane comme matériau sans avoir l'inconvénient d'autres contraintes d'aérodynamisme ou de poids. En d'autres termes, les composants correspon- dants du turboréacteur comme par exemple le compresseur sont déterminés d'emblée de façon optimale pour le cycle aérothermodynamique, sans être obligé de s'accomoder du risque d'une extension du feu de titane. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la structure statique interne (A) et la struc- ture statique externe (B) délimitent au moins un volume annulaire fermé sur lui-même. Cette structure du volume annulaire consti- tue une possibilité de réception, avantageuse pour les particules arrachées de titane. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, à l'intérieur d'un volume annulaire, il est prévu au moins un autre volume annulaire, distinct, une partie de la couche très conductrice de chaleur du volume annulaire étant pour l'essentiel parallèle à la structure de paroi externe de l'autre volume annulaire qui comporte également une couche très conductrice de chaleur (S') du côté directement tourné vers le rotor. Cela constitue une alternative de sécurité supplémentaire dans le sens d'une double structure du volume annulaire qui est notamment avantageuse pour la conception du carter permettant d'éviter les affaiblisse- ments prévus sur le plan constructif de la structure statique interne ou du carter interne, affaiblissements qui correspondent, par exemple, à l'existence de fentes de soufflage d'air ou d'ouvertures dans les compresseurs du turboréacteur. Il faudrait en effet exclure qu'une particule de titane, projetée, puisse traverser pratique- ment sans difficulté la structure statique interne et, du fait de l'énergie cinétique relativement élevée, risque- rait de traverser d'abord la structure statique externe, la plus proche ou la paroi du carter ainsi que la couche très conductrice de chaleur, correspondante; dans la trajectoire vers l'autre structure statique externe, existante ou la paroi de carter ainsi que la couche très conductrice de chaleur, on peut compter, dans tous les cas, sur une atténuation recherchée de la température pour éviter toute extension du feu de titane. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la structure statique interne (A) et la structu- re statique externe (B) sont formées de composants inter- nes et externes séparés, parmi lesquels les composants internes sont en même temps réalisés comme supports d'au- bes directrices formant la paroi extérieure du canal d'écoulement, alors que les composants extérieurs se com- posent d'au moins une bague d'appui et d'un segment de carter extérieur. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la couche protectrice très conductrice de cha- leur est appliquée sur la structure statique externe ou les composants externes, dans la direction axiale et dans la direction radiale. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la couche très conductrice de chaleur est une couche de métal projetée qui est appliquée par projection à la flamme ou au plasma. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la couche très conductrice de chaleur est un liquide analogue à une peinture que l'on peut appliquer au pinceau ou au pistolet ou encore une masse pâteuse. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau de la couche est un alliage d'alumi- nium. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau de la couche se compose à 94 X d'aluminium et à 6 % d'argent. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau de la couche est un alliage de cui- vre. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le matériau de la couche est un alliage de cui- vre, de zinc et d'argent. Suivant une autre caractéristique de l'inven- tion, le matériau constituant la couche est composé à 38 % de cuivre, à 32 % de zinc et à 30 % d'argent. Enfin, suivant une autre caractéristique de l'invention, toutes les structures statiques interne (A) et externe (B), leurs composants, les aubes directrices ainsi que les aubes de rotor et les segments annulaires intermédiaires le cas échéant correspondants du rotor, sont réalisés en titane ou en un alliage de titane et les aubes directrices sont en un matériau métallique par exemple un alliage de nickel. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation repré- senté à titre d'exemple sous la forme d'une coupe longitu- dinale partielle d'un compresseur axial d'un turboréac- teur à gaz. Dans la présente installation, pour éviter l'extension du "feu de titane", on se propose par exemple de réaliser, pour l'essentiel, le compresseur axial du turboréacteur à gaz y compris les structures statiques interne et externe ainsi que le rotor, en titane et en alliage de titane. Selon la caractéristique principale de l'in- vention, on prévoit en aval et radialement à une certaine distance des structures statiques internes A voisines du rotor ou des aubes 1, 2, 3, 4 des différents étages de compresseur, une structure statique B ayant sur sa surface intérieure une couche S très conductrice de chaleur. Fondamentalement, la structure statique in- terne A et la structure statique externe B peuvent enfer- mer au moins un volume annulaire 5, refermé sur lui-même. Suivant un autre développement de l'inven- tion, le dessin prévoit la possibilité de prévoir à l'in- térieur du volume annulaire 5, un autre volume annulaire 6, distinct, une partie de la couche très conductrice de chaleur S du volume annulaire 5 étant essentiellement parallèle à la structure de paroi extérieure 7 de l'autre volume annulaire 6, qui est munie d'une autre couche S' très conductrice de chaleur du côté tourné directement vers le rotor. Dans le présent exemple de réalisation, la structure interne A et la structure externe B sont assem- blées, chaque fois de composants de bottier internes et externes parmi lesquels les composants internes 8, 9, , 11 constituent en même temps le support formant la paroi du canal d'écoulement pour les aubes directrices 12, 13, 14 alors que les composants externes 15 et 16, essentiels selon l'invention, sont par exemple, dans le cas présent, sous la forme d'une bague de support et d'une partie de bottier de turbine réunie à cette bague. La couche de protection, très conductrice de chaleur comme par exemple S peut être prévue sur la structure statique externe B ou sur les composants externes par exemple 15, 16 dans la direction axiale et dans la direc- tion radiale. La couche très conductrice de chaleur peut en outre être appliquée sous la forme d'un liquide analo- a gue à une peinture qui se peint ou se projette ou encore sous la forme d'une masse pâteuse. Le matériau de la couche peut de préférence être constitué par un alliage d'aluminium. Dans ce cas, le matériau de la couche se compose à 94 % d'aluminium et à 6 % d'argent. En outre, le matériau de la couche peut être un alliage de cuivre. De plus, le matériau de la couche peut être un alliage de cuivre, de zinc et d'argent. Dans ce cas, le matériau constituant la couche se compose à 38 % de cuivre, à 32 % de zinc et à 30 % d'argent. Dans l'exemple de réalisation selon la figu- re, par exemple toutes les structures de carter, stati- ques, interne A et externe B, ainsi que leurs composants 8, 9, 10, 11 et 15, 16,.les aubes 1, 2, 3, 4 ainsi que les disques des rotors 17, 18, 19 et les éléments de seg- ment intermédiaires correspondants 20, 21, 22 de ce rotor, sont réalisés en titane- ou un alliage de titane, alors que les aubes directrices 12, 13, 14 sont en un matériau métallique, dans ce cas, il s'agit d'un alliage de nickel. Le fonctionnement de base de l'invention sera décrit à titre d'exemple à l'aide du dessin; par exemple en cas de rupture de l'une des aubes directrices 12 à l'endroit 23, il est pensable que la pièce de rupture se coince au niveau de l'une des aubes de rotor 2 à l'endroit 24 et est entraînée dans la direction périphérique, si bien que la chaleur de frottement peut engendrer le "feu de titane". Les particules de titane, incandescentes qui, lors de la combustion par exemple de la partie de carter 10, sont projetées radialement vers l'extérieur, arrivent alors selon l'invention sur la couche S en un matériau très conducteur de chaleur qui est appliquée sur la partie de carter directement adjacente, par exemple la partie de carter 15 en forme de bague d'appui, située @ -. v. radialement à l'intérieur. Cette couche permet d'évacuer rapidement l'énergie calorifique arrivant ponctuellement et corres- pondant aux particules de titane incandescentes; ainsi cela réduit rapidement son niveau de température élevé. Ainsi on n'atteint pas la température d'allumage, par exemple de la partie de carter constituant la bague d'appui. Le dommage est ainsi contenu dans le carter in- térieur, ce qui évite toute combustion ultérieure des parties de carter entre autres jusqu'au niveau de la cel- lule de l'avion. Le fonctionnement décrit ci-dessus peut éga- lement s'appliquer à d'autres cas, par exemple à un corps étranger aspiré par le compresseur ou un morceau détaché du rotor notamment en titane ou un alliage de titane. Le dessin montre en outre une fente de souf- flage 25 entre les deux étages du compresseur, fente qui correspond à une coupure et ainsi à un affaiblissement sur le plan de la solidité de la structure statique in- terne A de la partie de carter 11. Les moyens de préven- tion correspondants notamment le fait qu'à l'intérieur du volume annulaire 5, il soit prévu au moins un.autre volume annulaire 6 avec une partie de la couche très conductrice de chaleur S du volume annulaire 5 et qui est essentielle- ment parallèle à la structure de paroi extérieure 7 de l'autre volume annulaire 6 et comporte également une cou- che très conductrice de chaleur S' du côté directement tourné vers le rotor constituent une solution permettant d'éviter ce risque. REVENDICATIO NS ) Installation pour éviter l'extension du "feu de titane" pour des turbomachines notamment des tur- bines à gaz ou des turboréacteurs dans lesquels au moins un composant de la turbine par exemple le compresseur y compris les structures statiques interne et externe et le rotor sont pour l'essentiel ou en grande partie réali- sés en titane ou en un alliage de titane, installation caractérisée en ce qu'une structure statique interne (A) directement adjacente au rotor est suivie par une struc- ture externe (B), à une certaine distance radial et dont la surface intérieure est munie d'une couche (S) très conductrice de chaleur. 2 ) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure statique interne (A) et la structure statique externe (B) délimitent au moins un volume annulaire (5) fermé sur lui-même. 3 ) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'à l'intérieur d'un volume annulaire (5), il est prévu au moins un autre volume annulaire (6), distinct, une partie de la couche très conductrice de chaleur (S) du volume annulaire (5) étant pour l'essentiel parallèle à la structure de paroi externe (7) de l'autre volume annulaire (6) qui comporte également une couche très conductrice de chaleur (S') du côté directement tourné vers le rotor. 4 ) Installation selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisée en ce que la structure statique interne (A) et la structure statique externe (B) sont formées de composants internes et exter- nes (8, 9, 10, 11 et 15, 16) séparés, parmi lesquels les composants internes (8, 9, 10, 11) sont en même temps réalisés comme supports d'aubes directrices formant la paroi extérieure du canal d'écoulement, alors que les composants extérieurs (15, 16) se composent d'au moins une bague d'appui et d'un segment de carter extérieur. ) Installation selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la cou- che protectrice très conductrice de chaleur est appliquée sur la structure statique externe ou les composants ex- ternes, dans la direction axiale et dans la direction radiale. 6 ) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la couche très conductrice de chaleur est une couche de métal pro- jetée qui est appliquée par projection à la flamme ou au plasma. 7 ) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la couche très conductrice de chaleur est un liquide analogue à une peinture que l'on peut appliquer au pinceau ou au pis- tolet ou encore une masse pâteuse. 8 ) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le matériau de la couche est un alliage d'aluminium. 9 ) Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le matériau de la couche se com- pose à 94 % d'aluminium et à 6 % d'argent. ) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le matériau de la couche est un alliage de cuivre. 11 ) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le matériau de la couche est un alliage de cuivre, de zinc et d'ar- gent. 12 ) Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que le matériau constituant la couche est composé à 38 % de cuivre, à 32 % de zinc et à 30 % d'argent. 130) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans son application à un ou plu- sieurs compresseurs axiaux ou radicaux d'un turboréacteur stationnaire ou d'avion, installation caractérisée en ce que toutes les structures statiques interne (A) et exter- ne (B), les composants (8, 9, 10, 11 ou 15, 16), les au- bes directrices (1, 2, 3, 4) ainsi que les aubes de rotor (17, 18, 19) et les segments annulaires intermédiaires (20, 21, 22) le cas échéant correspondants du rotor, sont réalisés en titane ou en un alliage de titane et les aubes directrices (12, 13, 14) sont en un matériau métal- lique par exemple un alliage de nickel..