Brevet FR2588612A1 — publié le 19870417

Perfectionnements aPPortés aux turbocompresseurs. L'invention est relative aux turbocompresseurs, cette expression désignant un ensemble comportant une turbine et un compresseur, solidaires en rotation d'un arbre tournant dans des paliers. L'invention s'applique à des turbocompresseurs montés dans divers types d'instaliations, notamment - à des turbocompresseurs de suralimentation de moteurs à combustion. interne, la turbine étant alors mue par les gaz d'échappement du moteur, et le compresseur délivrant un air comburant comprimé à ce moteur, et - à des turbocompresseurs de turboréacteurs ou de turbines à gaz, la turbine étant alors mue par des gaz de combustion provenant d'une chambre de combustion, et le compresseur délivrant un air comburant comprimé à cette chambre de combustion. On sait que, quel que soit le domaine d'application, la turbine du turbocompresseur doit supporter des contraintes thermiques et mécaniques élevées ; c'est ains-i que dans le cas d'un turbocompresseur de suralimentation pour moteur diesel, la température d'entrée dans la turbine peut atteindre 550 C, que dans le cas d'un turbocompresseur de suralimentation pour moteur à essence la température d'entrée dans la turbine peut atteindre 900il, et que dans le cas d'un turbocompresseur de turboréacteur la température d'entrée dans la turbine peut atteindre 1 400.C. La turbine du turbocompresseur doit donc être traitée pour résister à la corrosion et à l'oxydation à chaud. On a donc cherché à réaliser la turbine du turbocompresseur en matériau réfractaire, notamment en matériau céramique, mais il se pose alors des problèmes mécaniques de fixation de la turbine sur l'arbre du turbocompresseur, ces problèmes étant dûs en particulier aux différences de dilatation thermiques entre les matériaux classiques et les matériaux réfractaires (un acier classique se dilate jusqu'a cinq fois plus qu'une céramique). On est donc conduit, si l'on veut éviter des contraintes trop élevées dans le matériau réfractaire, notamment dans la céramique, à prévoir des jeux importants nuisibles au bon fonctionnement du turbocompresseur. Par ailleurs, on a toujours intérêt à réduire le plus possible les masses des pièces en rotation du turbocompresseur (turbine, compresseur et arbre). Dans une application à la suralimentation des moteurs à combustion interne cette diminution des masses tournantes conduit à une diminution de l'inertie des pièces en rotation, et à une diminution du temps de réponse lorsque le moteur est sollicité en accélération or, à ce jour, ce temps de réponse relativement plus long des moteurs à combustion interne suralimentés constitue un inconvénient. Dans une application à la construction de turboréacteurs, cette diminution des masses conduit à une diminution sensible de la masse totale du turboréacteur dont l'intérêt est appréciable dans le domaine aéronautique. Dans une application aux turbines à gaz terrestres, la turbine en céramique peut fonctionner avec des gaz corrosifs. L'invention a pour but un turbocompresseur dont la turbine au moins peut facilement être réalisée en matériau réfractaire, notamment en céramique, et ce sans que le choix de ce matériaux soit nuisible au fonctionnement du turbocompresseur. L'invention a également pour but un turbocom reEEnzr- dG > t - 12s pièces--tournantes présentent une faible masse (d'où un gain de masse) et une faible inertie (d'où une diminution du temps de réponse). Le turbocompresseur selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte une seule roue munie, sur l'une de ses deux faces, d'aubes de turbine, et sur l'autre face, d'aubes de compresseur, ladite roue étant montée en bout d'un arbre tournant dans des paliers situés du côté de la roue qui est muni des aubes de compresseur. Grâce à cette disposition il est possible de constituer le turbocompresseur, au moins en.ce quicon- cerne sa partie turbine, parut matériau réfractaire, notamment un matériau céramique, puisque cette partie du turbocompresseur se trouve en bout d'arbre. De plus, la structure correspondant à cette disposition permet de réaliser un ensemble compact et due réduire la masse des pièces tournantes qui se limitent à la roue et à l'arbre en bout duquel elle est montée, le temps de réponse du turbocompresseur se trouvant donc diminué. Pour réduire les échanges thermiques entre la partie turbine et la partie compresseur, et plus loin vers les moyens à paliers situés du côté de cette partie compresseur, il est avantageux de prévoir, dans la roue, un évidement entre la face munie des aubes de turbine et la face munie des aubes de compresseur. Cet évidement peut être ouvert ou fermé. Au point de vue constructif, on peut réaliser l'ensemble roue-aubes de turbine-aubes de compresseurarbre sous forme d'un ensemble monobloc constitué en un même matériau, notamment un matériau réfractaire (céra moque) Selon une autre réalisation, cet ensemble peut être constitué en deux parties, à savoir une partie turbine réalisée en matériau réfractaire (céramique), et une partie compresseur et arbre de maintien, sous forme d'un ensemble monobloc constitué en un même matériau, des moyens d'assemblage étant prévus entre ces deux partie L'invention consiste, mises à part les dispositions dont. il vient d'être question, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et qui seront décrites plus en détail ci-après. L'invention pourra de toutes façon être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à des modes de réalisation préférés de l'invention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. La figure 1 de ces dessins est une vue en perspective schématique montrant un turbocompresseur établi conformément à l'invention. La figure 2 montre une coupe d!un turbocompresseur établi conformément à un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 3 montre une coupe d'un turbocompresseur établi conformément à un-autre mode de réalisation de l'invention: La figure 4 est une vue de la roue du turbocompresseur selon l'invention montrant la face munie d'aubes de turbine. La figure 5 est une vue de la roue du turbocompresseur selon l'invention montrant la face munie d'aubes de compresseur. La figure 6 est une vue schématique montrant un turbocompresseur selon l'invention appliqué à la suralimentation d'un moteur à combustion interne. La figure 7 montre un turboréacteur équipé d'un turbocompresseur selon l'invention. Sur ces figures le turbocompresseur selon l'invention comporte une roue unique 1 munie, sur l'une de ses deux faces, la face la, d'aubes de turbine A, et sur l'autre face, la face lb, d'aubes de compresseur B. Cette roue unique 1 est montée, en porte-à-faux, en bout d'un arbre 2 maintenu par un ensemble de paliers 3 situés du côté de la roue 1 qui est muni des aubes de compresseur B. Cet ensemble de paliers 3 peut être constitué par deux paliers 4 et 5 disposés, par rapport à la roue 1, de manière à pouvoir résister aux efforts engendrés par le fonctionnement du turbocompresseur (efforts axiaux, efforts radiaux, maintien de l'ensemble aux dif férentes vitesses de rotation de la roue). Selon les modes de réalisation illustrés sur les figures 2, 3, 6 et 7 un évidement 6 est prévu dans la roue unique 1 entre la face la munie des aubes de turbine A et la face lb munie des aubes de compresseur B. Cet évidement 6 peut être ouvert, comme montré sur les figures 2, 6 et -7, ou fermé, comme montré sur la figure 3. Pour obtenir une bonne efficacité dans laréduc- tion des échanges thermiques entre la partie turbine et la partie compresseur, cet évidement 6 s'étend vers l'axe de rotation de la roue unique 1, sensiblement audela des aubes de turbine A. Comme montré sur les figures 2, 6 et 7, l'ensemble roue unique 1aubes de turbine A-aubes de compresseur B-arbre 2, est réalisé sous forme d'un-ensemble monobloc constitué en un même matériau, notamment un matériau réfractaire (céramique). Un tel ensemble peut alors être élaboré par coulée avec reprise éventuelle à la fraise ou à la meule, notamment au niveau des aubes. Afin de faciliter cette fabrication par coulée, il est avantageux de donner aux aubes (aubes de turbine A et aubes de compresseur B) une forme tronconique, c'est-à-dire une section à l'emplanture de l'aube plus grande que la section à l'extrémité de l'aube. Cette disposition est illustrée, - pour les aubes de turbine A, sur la figure 4 qui montre la face la de la roue unique 1, le contour de. l'emplanture des aubes de turbine A étant le contour L1 et le contour de l'extrémité étant le contour L2, - pour les aubes de compresseur B, sur la figure 5 qui montre la face lb de la roue unique 1, le contour de l'emplanture des aubes de compresseur B étant le contour L1 et le contour de l'extrémité étant le contour L2 Cette forme des aubes permet, - de diminuer encore la masse et l'inertie du turbocompresseur, - de réduire les contraintes de flexion centrifuge, et - de faciliter le démoulage. La diminution de la masse et la réduction des contraintes de flexion peuvent aussi être obtenues par un évidement de l'aube, ouvert à son extrémité. Comme montré sur la figure 3, l'ensemble roue unique 1-aubes de turbine A-aubes de compresseur B-arbre 2 est constitué en deux parties, à savoir - une partie turbine comprenant la face la de la roue 1 et les aubes de turbine A, cette partie étant réalisée en matériau réfractaire (céramique), et - une partie compresseur-arbre de maintien comprenant la face lb de la roue 1, les aubes de compresseur B et l'arbre 2, cette partie étant réalisée sous forme d'un ensemble monobloc constitué en un même matériau (acier à haute résistance). Des moyens d'assemblage sont prévus pour solidariser, sur une rayon extérieur et sur un rayon intérieur ces deux parties. Dans ces conditions l'évidement 6 est fermé, et il se trouve compris entre les rayons extérieur et intérieur. Le turbocompresseur peut comporter comme montré sur la figure 7, de façon en soi connue - un aubage directeur 7 en amont des aubes de turbine centrifuge A et un aubage redresseur 8 en aval des aubes de turbine centrifuge A. - un aubage directeur 9 en amont des aubes de compresseur B et un aubage redresseur 10 en-aval des aubes de compresseur B. Sur la figure 6 on a montré un turbocompresseur de suralimentation d'un moteur à combustion interne 11. Les aubes de turbine A reçoivent, par un conduit annulaire 12, les gaz d'échappement issus du moteur 11 ; ces gaz d'échappement, une fois détendus dans les aubes de turbine A sont évacués par un conduit axial 13. Les aubes de compresseur B sont alimentées en air atmosphérique par un conduit axial 14 ; l'air, une fois comprimé dans les aubes de compresseur B est recueilli par un conduit annulaire 15 et est dirigé vers le moteur 11. Sur la figure 7 on a montré un turbocompresseur de turboréacteur. Ce turboréacteur comporte, - une admission d'air 16 alimentant les aubes de compresseur B, - un échangeur thermique 17 traversé par l'air comprimé issu des aubes de compresseur B, - une chambre de combustion 18 recevant l'air comprimé et réchauffé issu de l'échangeur 17, - un conduit de distribution axial 19 reliant cette chambre de combustion 18 aux aubes de turbine A, - un conduit de liaison annulaire 20 dirigeant les gaz de combustion détendus dans les aubes de turbine A vers l'échangeur 19, - une tuyère 21 alimentée par les gaz de combustion issus de l'échangeur thermique 17. Au point de vue constructif on a indiqué -que le turbocompresseur pouvait être réalisé, sous fo-rme monobloc, par coulée. Mais on pourrait également avoir recours à d'autres procédés de fabrication, par exemple par matriçage ou par compactage de poudres. Pour les températures dans les aubes de turbine A inférieures à 1200 C on peut avoir recours à du nitrure de silicium présentant une meilleure résistance à la traction et une conductibilité thermique plus faible que le carbure de silicium qui pourra être utilisé pour des températures dans les aubes de turbine A supérieures à 1200 C. REVENDICATIONS 1. Turbocompresseur comportant une turbine et un compresseur solidaires en rotation d'arbre tournant dans des paliers, caractérisé par le fait qu'il comporte une seule roue (1) munie, sur-l'une de ses deux faces (la) d'aubes de turbine (A), et sur l'autre face (lob) d'aubes de compresseur (B), ladite roue (1) étant montée en bout d'un arbre (2) tournant dans des paliers (3) situés du côté de la roue (lob) qui est muni des aubes de compresseur B. 2. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la roue (1) comporte un évi dement. (6) entre la face (la) munie des aubes de turbine (A) et la face (lob) munie des aubes de compresseur (B). 3. Turbocompresseur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'évidement (6) est ouver-t. 4. Turbocompresseur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'évidement (6) est fermé. 5. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que l'évidement (6) s'étend vers l'axe de rotation la roue (1) sensiblement au-dela des aubes de turbine (A). 6. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'ensemble constitué par la roue unique (1), les aubes de turbine (A), les aubes de compresseur (B) et l'arbre (2), est réalisé sous forme d'un ensemble monobloc constitué en-un même matériau. 7. Turbocompresseur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ce matériau est un matériau réfractaire. 8. Turbocompresseur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ce matériau réfractaire est un matériau céramique. 9. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'ensemble constitué par la roue unique (1), les aubes de turbine (A), les aubes de compresseur (B) et l'arbre (2), est constitué en deux parties, à savoir - une partie turbine comprenant la face (la) et les aubes de turbine (A), - une partie compresseur-arbre de maintien comprenant la face (lob), les aubes de compresseur (B) et l'arbre (2), cette partie étant réalisée sous forme d'un ensemble monobloc constitué en un même matériau. 10. Turbocompresseur selon la revendication 9, caractérisé par le fait que la partie turbine est réalisée en matériau réfractaire. 11. Turbocompresseur selon la revendication 10, caractérisé par le fait que ce matériau réfractaire est un matériau céramique. 12. Turbocompresseur selon la revendication 8 ou 11, caractérisé par le fait que ce matériau céramique est du nitrure de silicium. 13. Turbocompresseur selon la revendication 8 ou 11, caractérisé par le fait que ce matériau céramique est du carbure de silicium. 14. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que les aubes de turbine (A) et/ou les aubes de compresseur (B) présentent une forme tronconique dont la section à l'emplanture est plus grande que la section à l'extrémité. 15. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que les aubes de turbine (A) et/ou les aubes de compresseur (B) préséntent un évidement interne ouvert à l'extrémité de l'aube.