Brevet FR2550579A1 — publié le 19850215

i La présente invention se rapporte aux aubes de turbines à haute température, et plus particulièrement à une aube en béryllium pour des turbines à haute température. La tendance actuelle dans les moteurs de fusée 5 à caractéristiques élevées est de rechercher des températures et des pressions de fonctionnement de plus en plus élevées, par exemple des températures comprises dans la plage allant de 1116 C à 1393 C La technologie actuelle emploie des aubes de turbine formées en alliages d'aciers au nickel et au cobalt, qui sont caractérisés par une résistance élevée mais également par une faible conductivité. Ces aubes ne conviennent pas, soit pour un refroidissement par convection interne, soit pour un refroidissement par film externe, qui sont nécessaires à des températures supé15 rieures à 838 C, et, en conséquence, donnent une faible durée de vie avant la rupture La rupture d'une aube peut entraîner la destruction du moteur tout entier et, même si le moteur n'est pas détruit, le coût du remplacement des aubes est très élevé. L'utilisation d'alliages d'argent ou d'or ou de cuivre à conductivité élevée est écartée pour un fonctionnement à température élevée en raison de leur bas point de fusion Pour des éléments rotatifs, l'utilisation de métaux réfractaires est prohibée en raison de leur densité 25 élevée, qui contribue à des contraintes de rotation excessives De plus, des matériaux réfractaires, tels que Si C et Si N, qui ont une faible densité et une résistance modérée, ne conviennent pas en raison de leur fragilité. Pour des éléments d'aubes de rotor refroidis dans des environnements o un refroidissement par convection externe et/ou interne doit être employé, l'utilisation d'un matériau ayant une conductivité thermique élevée, une faible densité et un point de fusion élevé est nécessaire Le béryllium est un métal ayant ces propriétés et, également, 35 une grande résistance mécanique Cependant, le béryllium n'a pas été utilisé, peut-être parce qu'il n'a pas été possible jusqu'à présent de conformer le béryllium en aubes de rotor avec des passages de convection internes. L'invention concerne une aube perfectionnée utilisable sur des turbines à température élevée, fonctionnant à des températures supérieures à environ 1116 C L'aube 5 est réalisée à partir d'un métal qui est le béryllium, et présente des passages internes pour convoyer un fluide de refroidissement afin de refroidir l'aube par convection. Des passages radiaux peuvent également s'étendre des passages de convection internes à la surface externe de l'aube, 10 pour former un refroidissement par film de la surface. Un objet de l'invention est d'améliorer la conductivité thermique des aubes de turbine à présent disponibles pour un fonctionnement à haute température. Un autre objet est-de proposer une aube pour 15 une turbine qui est capable d'un fonctionnement avec une durée de vie prolongée dans des conditions de température élevée. Un autre objet est de proposer une aube au béryllium refroidie par convection destinée à un fonction20 nement avec une durée de vie élevée dans une turbine soumise à des températures de fonctionnement élevées et supérieures à environ 838 C. L'unique figure est une vue en coupe d'une aube de rotor d'une turbine et représente les passages de fluide 25 de refroidissement radiaux et internes. La figurereprésente une coupe d'une aube de turbine 10, de rotor ou de stator, destinée à être utilisée dans un moteur à haute température (en général au-dessus de 838 à 1116 C), par exemple un moteur de fusée L'aube 30 10 peut, par exemple, avoir, de manière typique, une hauteur d'environ 50,8 mm et une longueur de 25,4 mm du bord d'attaque 12 au bord de fuite 14 L'aube 10 est formée avec des passages 16 internes de fluide de refroidissement pour le refroidissement par convection de l'aube, et avec 35 quelques passages radiaux 18 destinés à convoyer un fluide de refroidissement jusqu'aux surfaces externes 20 de l'aube pour un refrodissement par film des surfaces. L'aube 10 est réalisée à partir de béryllium par le procédé de moulage récemment développé en métallurgie des poudres De la poudre de béryllium est placée dans un moule contenant des noyaux pour former les passages 16 et 18 Le béryllium dans le moule est ensuite soumis à une température et à une pression élevées, à des niveaux tels que la poudre est frittée et agglomérée La pression et les températures élevées sont supprimées, les noyaux formant les passages sont éliminés, par exemple en les dissolvant, 10 et l'aube avec son passage conducteur de fluide est prête pour des opérations d'usinage telles qu'une finition de surface. Le fluide utilisé pour refroidir une aube en béryllium à refroidissement par convection interne forcée peut, par exemple, être de l'hydrogène liquide ou du méthane liquide A titre d'exemple, avec un débit de convection forcéeà l'hydrogène liquide de 13 357 kg/m 2 x s, les conditions typiques avec un bord d'attaque à une température d'environ 282 C sont indiquées cidessous: 20 T = 1171 C g T = 218 C c h = 35,15 kcal/m 2 x S x C g h = 119,52 kcal/m 2 x S x:C c o Tg est la température du gaz entrant dans la turbine, T est la température du fluide de refroidissement, h est c g le coefficient d'échange thermique moyen sur les côtés des gaz de la paroi de l'aube, et h est le coefficient d'échanc ge thermique moyen sur les côtés du fluide de refroidissement de la paroi de l'aube. L'épaisseur de l'aube à son bord d'attaque 12 peut être typiquement d'environ 0,9 mm La fabrication de l'aube 10 peut également être réalisée par un procédé différent du procédé de moulage des poudres décrit ci-dessus. Des aubes de turbine destinées à être utilisées 35 dans des turbines à haute température fonctionnant à une température supérieure à 838 -1116 'C doivent être réalisées en un métal ou en un alliage ayant une conductivité thermique élevée, une faible densité, un point de fusion élevé et, de préférence, une ductilité raisonnable, bien que les trois premières caractéristiques soient les caractéristiques essentielles Le béryllium présente les pro5 priétés désirées Par exemple, la conductivité thermique du béryllium est d'environ 100, tandis que celle de l'acier va de 8 à 10 La conductivité du cuivre est meilleure, car elle est de 200, mais le cuivre a une haute densité et un point de fusion (environ 1082 C) qui est juste au 10 bord de la limite inférieure de la plage de températures de fonctionnement élevées Le titane a de bonnes propriétés excepté en ce qui concerne sa conductivité thermique, qui est faible ( 4, 3) Le point de fusion du béryllium est de 1282 C, et sa densité est très faible, environ 1,85 Il 15 présente ainsi la combinaison convenable de propriétés pour l'usage envisagé. Bien évidemment, de nombreuses modifications et variantes de la présente invention sont possibles au vu des enseignements donnés ci-dessus Il doit en conséquence ttre bien compris que, sans::tortir du cadre (lde l'invention, J 'invention peut iêtre îii Lse en oeuvre de manières différentes de celle qui vient d'être décrite. REVENDICATIONS 1 Aube perfectionnée ( 10) pour la turbine d'un Iturbomnioteur à temiipdrat tre ëI evée, carac t ér I;sée en ce lqu'elle est réalisée en un métal présentant la combinaison des propriétés suivantes: une conductivité thermique élevée, une densité faible et un point de fusion élevé. 2 Aube perfectionnée pour la turbine d'un turbomoteur à température élevée, caractérisée en ce que l'aube est réalisée en béryllium. 3 Aube de turbine selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite aube ( 10) est réalisée à partir d'une poudre de particules de béryllium. 4 Aube de turbine selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite aube ( 10) est réalisée à par15 tir de poudre de béryllium en comprimant la poudre dans un moule sous des conditions convenables de température et de pression. Aube selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle présente des passages internes ( 16) destinés 20 au convoyage d'un fluide de refroidissement par convection traversant lesdits passages. 6 Aube selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle présente des passages ( 18) s'étendant radialement vers l'extérieur,de l'un au moins desdits passages 25 internes ( 16) aux surfaces externes de l'aube ( 10).