Brevet FR2623246A1 — publié le 19890519

1. La présente invention concerne une tuyère compo- site avec matrice en céramique pour moteur à turbine. On a constaté depuis longtemps que les composants des moteurs en céramique armée permettent des gains impor- tants par rapport à des composants identiques fabriqués en super-alliages en matières de propriétés physiques telles que la résistance mécanique et la rigidité à haute température et de meilleures caractéristiques de fatigue, de fluage, de corrosion et de résistance à l'usure. Malheu- reusement,sur le plan pratique, c'est précisément ces meil- leures propriétés physiques, en particulier le coefficient de dilatation thermique sensiblement plus faible et la possi- bilité de fonctionnement à des températures plus élevées des céramiques par rapport aux métaux qui présentent l'obstacle le plus grand à l'utilisation des céramiques dans des applications telles que les tuyères des moteurs à turbine. 2. Plus spécialement, la principale difficulté qu'on rencontre dans l'incorporation de composants de tuyère en céramique armée dans un moteur à turbine rési- de dans le maintien de tolérances critiques entre les composants en céramique fonctionnant à haute température, à faible coefficient de dilatation thermique, et les struc- tures métalliques du moteur fonctionnant à température plus basse, à coefficient de dilatation thermique relativement plus élevé. Pour essayer de résoudre ce problème, la technique antérieure enseigne l'utilisation d'ailettes séparées en composite de céramique, montées entre des an- neaux intérieur et extérieur qui les maintiennent, consti- tués soit d'une céramique soit d'un matériau métallique. Cependant, la maîtrise dans des tolérances étroites des an- gles d'incidence des ailettes et des contours du trajet de circulation des gaz est particulièrement difficile et l'anneau intérieur, ou moyeu, nécessite des structures de support supplémentaires car il ne peut être maintenu par les seules ailettes. Les structures intérieures métalliques de support employées généralement par la technique anté- rieure doivent être refroidies pour éviter la surchauffe, d'o la limitation des avantages que présente le système de matériau de pointe, tout en augmentant énormément la complexité du système. La disparité entre le coefficient de dilatation thermique des céramiques par rapport aux métaux présente aussi des difficultés dans la fixation d'une tuyère en céramique à la structure extérieure métallique du moteur. La technique antérieure enseigne l'utilisation d'un sup- port métallique annulaire, tronconique, pour fixer une tuyère en métal à la structure métallique du moteur. Ce- pendant, des contraintes d'une valeur si élevée qu'elles ne sont pas acceptables se développent dans un tel support métallique lorsqu'il sert à maintenir une tuyère en céra- mique. De fait, les températures de fonctionnement plus 3. élevées qu'on peut obtenir avec les céramiques aggravent la disparité dimensionnelle entre support et tuyère, ce qui rend encore plus problématique l'interface entre la cérami- que et les métaux. Là encore, on n'obtient pas le plein po- tentiel offert par les céramiques avec la technique anté- rieure. Une tuyère en céramique renforcée pour moteur à turbine comprend un moyeu annulaire constitué d'une première céramique renforcée présentant une quasi-isotro- pie dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du moyeu, le moyeu comportant des ailettes s'étendant radia- lement vers l'extérieur en une pièce avec lui, et une pai- re d'anneaux cylindriques de renfort constitués d'une seconde céramique renforcée de manière à présenter les ca- ractéristiques de quasi-isotropie dans toutes les directions perpendiculaires à un vecteur radial, les anneaux de ren- fort enfermant le moyeu et comportant des moyens disposés - dans leur intérieur pour s'engager par emboîtement dans les extrémités les plus radialement à l'extérieur des ai- lettes du moyeu, d'o il résulte que le moyeu est supporté sur sa périphérie et est ainsi maintenu. Le quasi-isotropisme des matériaux du moyeu et des anneaux de renfort fournit une dilatation thermique coopérative entre eux pendant le fonctionnement du moteur de façon qu'il y ait un engagement par emboîtement de plus en plus grand des extrémités radialement les plus à l'extérieur des ailettes dans les anneaux de renfort, d'o l'obtention d'une intégrité structurelle supérieure aux températures élevées de fonctionnement. En outre, les ailettes de la tuyère sont placées avec une précision plus grande, d'o il résulte qu'il y a un moins grand nom- bre de trajets de fuites avec une réduction simultanée du poids de la tuyère et des conditions de refroidissement. La tuyère en céramique renforcée de la présen- te invention est montée sur le moteur par une multitude de 4. bras de support métalliques s'étendant axialement, espacés circonférentiellement les uns des autres sur la périphérie des anneaux de renfort en étant fixés à ceux-ci. Le mo- ment d'inertie des bras de support dans la direction ra- diale est sensiblement inférieur au moment d'inertie dans la direction tangentielle et, ainsi, il est tenu compte de la dilatation hermique disparate de la tuyère en céra- mique et des composants métalliques du moteur par la fle- xion longitudinale élastique des bras alors que la tuyère ]0 est maintenue dans une position concentrique par rapport à l'axe de rotation du moteur, d'o la réduction du poids et le maintien de faibles tolérances dimensionnelles. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les des- sins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une vue en plan d'une tuyère de turbine en composite à matrice de céramique construite selon la présente invention; La figure 2 est une vue de côté, en partie en coupe, de la tuyère prise le long de la ligne 2-2 de la figure 1; La figure 3 est une vue partielle en coupe, à gran- de échelle, de la tuyère prise le long de la ligne 3-3 de la figure 2; La figure 4 est une vue partielle en coupe, à grande échelle, d'une ailette prise le long de la ligne 4-4 de la figure 3; La figure 5 est une vue partielle, en partie en coupe et en partie en crevé, à grande échelle de la tuyère prise le long de la ligne 5-5 de-la figure 3. En liaison avec les figures 1 et 2, un mode de réalisation, donné à titre d'exemple, de la tuyère 10 en céramique renforcée de la présente invention est constitué de trois composants en composite à matrice céramique, laminés, quasi-isotropes: un moyeu central 12 ayant une 5. multitude d'ailettes 14 en une pièce avec lui qui s'étendent radialement vers l'extérieur, un anneau de renforcement pos- térieur 16 qui enferme la partie arrière 18 des ailettes 14 tout en étant engagé dans une surface 20 sur leur partie 22 la plus radialement à l'extérieur de manière à éviter le mouvement axial vers l'arrière du moyeu 12; et un anneau de renforcement antérieur 24 accouplé à l'anneau posté- rieur 16 par exemple par des rebords complémentaires 26 et 28 de manièreà renfermer la partie avant 30 des ailettes 14 tout en ayant engagé par emboîtement avec leurs extrémités 22, d'o il résulte qu'un mouvement axial et cirdonféren- tiel vers l'avant, excentrique, du moyeu 12 par rapport à l'anneau de renfort antérieur 24 est empêché. En liaison avec les figures 3 et 4, les structu- res feuilletées quasi-isotropes des matériaux du moyeu et des anneaux de renforcement, 32 et 34, respectivement, com- prennent une multitude de couches 36 de fibres de renforce- ment en deux dimensions qui sont imprégnées avec un matériau 38 à matrice en céramique, par exemple, des réseaux de fi- bre de carbone en couche imprégnés d'une matrice de carbure de silicium. Le matériau 38 et les fibres 40 de renforce- ment des matériaux feuilletés 32 et 34 sont choisis de maniè- re à assurer une dilatation thermique diamétrale sensible- ment similaire pour le moyeu et les anneaux de renforcement pendant le fonctionnement du moteur. Plus spécifiquement, le moyeu 12 de la tuyère 10 de la présente invention, comprenant les ailettes 14, est usiné à partir d'un bloc de feuilleté 32 constitué de plu- sieurs couches 36 de fibres de carbone tissées 40 imprégnées d'une matrice 38 de carbure de silicium dans un processus de dépôt en phase gazeuse par procédé chimique. Le feuilleté quasi-isotrope 32 résultant, présente des propriétés physi- ques dans sa direction axiale, ou direction transversale aux couches, qui sont notablement différentes des proprié- tés présentées dans toutes les directions à l'intérieur 6-. d'un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du moyeu 12. Ainsi, la dilatation thermique du moyeu dans le sens axial dépassera grandement la dilatation radiale et la dilatation circonférentielle. La partie 22 la plus radialement à l'extérieur de chaque ailette 14 comporte une multitude de surfaces 20, 42, 44 qui ont de préférence une forme simple et sont de préférence aussi grandes que cela est possible tout en per- mettant l'accès d'outils pour la formation des contours corrects des ailettes. On décrira ci-dessous les avantages qu'offre l'utilisation d'une surface d'extrémité antérieu- re 44 en forme d'arc pour les ailettes. - Le matériau 34 des anneaux de renforcement 16 et 24 est représenté en figure 4 et comprend un réseau 36 de fibres de renforcement imprégnées d'une matrice de cérami- que, qui est enroulé circonférentiellement afin de conférer un comportement essentiellement isotrope tant longitudinale- ment que circonférentiellement, c'est-à-dire dans toutes les directions à l'intérieur du matériau feuilleté cylindri- que annulaire résultant 34 perpendiculaire à un vecteur ra- dial de celui-ci, avec un comportement divers transversa- lement aux couches dans le sens radial ou sens de l'épais- seur. Ainsi, la dilatation thermique radiale des anneaux de renforcement dépassera grandement la dilatation tant longitudinale que circonférentielle. L'anneau de renforcement postérieur 16 renferme la partie arrière 18 des ailettes 14, comme cela est représenté en figure 5. La surface 20, disposée vers l'ar- rière, de chaque extrémité 22 d'ailette bute contre la surfa- ce avant 48 de l'anneau de renforcement postérieur 16, ce qui ne permet pas le mouvement du moyeu 12 vers l'arrière. L'anneau de renforcement antérieur 24 renferme la portion avant 30 des ailettes 14 et est fixé à l'anneau de renfor- cement postérieur 16 par des rebords 26 et 28, d'une façon qu'on décrira ci-après. Des rainures complémentaires 50 7. sont formées à l'intérieur de l'anneau 24 de manière à ac- cepter et à recevoir par emboîtement chaque extrémité 22, empêchant un mouvement circonférentiel et axial vers l'avant du moyeu 12, tout en maintenant le moyeu dans une position concentrique et en fournissant un trajet correct d'écoule- ment entre les ailettes 14. La dilatation thermique dans le sens transversal aux couches, ou sens radial, relativement plus élevée qui en résulte pour les anneaux de renforcement 16 et 24 par rapport à la dilatation thermique dans le sens circonféren- tiel et le sens longitudinal, a tendance à remplir les in- terstices 52 formés entre les surfaces d'extrémité 54 les plus radialement à l'extérieur des ailettes et les surfa- ces 54 opposées des nervures de l'anneau de renforcement antérieur 24, les rendant étanches pendant le fonctionne- ment. D'une façon similaire, la dilatation thermique éle- vée dans le sens transversal aux couches, ou sens longi- tudinal du moyeu 12, par rapport à la dilatation radiale et à la dilatation longitudinale de l'anneau 24, a tendance à remplir les interstices 56 formés entre les surfaces dispo- sées axialement 44 des extrémités 22 des ailettes et les sur- faces opposées 58 des rainures de l'anneau de renfort 24, tout en maintenant la surface 20 disposée axialement vers l'arrière de chaque extrémité 22 dans une situation conti- guë à la surface d'extrémité opposée correspondante 48 de l'anneau de renforcement postérieur 16. L'utilisation des surfaces 44 et 58 appariées en forme d'arc, c'est-à-dire de surfaces capables d'exercer une force circonférentiel- lement aussi bien qu'axialement, agit pour centrer chaque extrémité 22 d'ailette circonférentiellement à l'inté- rieur de sa rainure correspondante 50 pendant la marche du moteur. Ainsi, la faible dilatation dans le plan, des ma- tériaux feuilletés 32 et 34 utilisés dans la présente inven- tion et l'absence d'assujettissement solide entre les 8. ailettes 34 et les anneaux de renforcement 16 et 24 rédui- sent grandement ou éliminent le problème de la lutte thermi- que entre eux lors des conditions transitoires de fonction- nement du moteur. En outre, les ailettes 14 se trouvent ain- si placées avec plus de précision à l'intérieur des anneaux de renforcement 16 et 24. De nouveau en liaison avec les figures 1 et 2, une structure annulaire de support 60 pour la tuyère 10 de la présente invention comprend une partie annulaire de corps 62 ayant une multitude de rayons 64 espacés circon- rentiellement qui s'étendent dans le sens axial. La par- tie 62 est fixée, par exemple, par un rebord extérieur 66 et des attaches classiques 68 à un flasque intérieur com- plémentaire de montage 70 en une pièce avec la structure principale du moteur (non représentée). Comme la structu- re de support 60 est effectivement un cône qui est fendu sur la totalité de sa longueur, on évite les contraintes périphériques néfastes qui sont caractéristiques de la tech- nique antérieure. Les rayons 64 de la structure annulaire de sup- port 60 sont constitués d'un alliage de nickel résistant aux hautes températures tel que l'alliage dit Hastelloy-X. L'épaisseur des bras est choisie de façon que les contrain- tes de flexion qu'ils subissent pendant le fonctionnement du moteur soient en-deçà de la limite élastique pour la di- latation thermique différentielle maximum entre les deux extrémités des bras 64, c'est-à-dire entre la dilatation thermique radiale du flasque 70 de montage du moteur et celle des anneaux de renforcement 16 et 24. En outre, chaque bras 64 est orienté de façon à fournir aux anneaux de ren- forcement 16 et 24 un moment d'inertie sensiblement plus grand dans le plan tangent que dans la direction radiale de l'extérieur. L'extrémité libre 72 de chaque bras de support 64 est fixée aux rebords extérieurs complémentaires 26 et 28 9. des anneaux de renforcement, par exemple par des attaches métalliques filetées 74 avec des entretoises 76 à coeffi- cient de dilatation thermique élevé afin de tenir compte de la dilatation thermique circonférentielle plus faible des rebords 26 et 28 en composite à matrice de céramique. Une petite quantité d'air de refroidissement est dirigée sur le groupe de rebords pendant le fonctionnement du mo- teur de manière à éviter la surchauffe de leurs éléments métalliques. La tuyère 10 est maintenue concentrique avec le flasque de montage 70 du moteur par la section en coupe relativement plate, résultante, des bras 64 de la structu- re de support 60, car les bras 64 peuvent fléchir dans le sens radial de l'extérieur mais non tangentiellement pen- dant le fonctionnement du moteur et, par conséquent, per- mettre la dilatation dans le sens radial de l'extérieur de la tuyère 10 tout en empêchant sa translation latérale par rapport au flasque de montage 70. Ainsi, par exemple, lorsqu'une charge transversale est appliquée à la tuyère 10, les bras de support 64 dont l'axe minimal en coupe, ou sens de l'épaisseur, coincide avec le trajet de la charge, fléchissent facilement et par conséquent, offrent peu de ré- sistance à une telle charge. Cependant, les bras de support 64 dont la direction de l'épaisseur ne coincide pas avec le trajet de la charge fournissent un moment d'inertie beau- coup plus grand pour réagir à la charge de flexion, d'o il résulte que la tuyère 10 est maintenue concentrique avec le flasque 70 de montage du moteur. L'utilisation de six bras 64 espacés circonférentiellement les uns des autres semble don- ner les résultats optimum. On remarquera que, alors que le mode de réalisa- tion préféré utilise un feuilleté constitué d'une multitu- de de réseaux de fibres de renforcement à deux dimensions, en couches, imprégnés d'un matériau à matrice de céramique pour donner un matériau céramique renforcé présentant des 10. caractéristiques quasi-isotropes, la présente invention en- visage l'emploi d'autres moyens de renforcement, tels que l'utilisation des matériaux dits "d'auto-renforcement", d'o il résulte que le quasiisotropisme s'obtient d'une façon maîtrisée. De plus, on remarquera que les matériaux feuil- letés 32 et 34 peuvent être d'une composition identique ou différente, dans la mesure o le moyeu 12 s'engage de plus en plus par emboîtement dans les anneaux de renforce- ment 16 et 24 alors qu'on atteint la température normale de fonctionnement du moteur. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de va- riantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 11. REVENDICATIONS 1 - Tuyère (10) en céramique renforcée pour mo- teur à turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un moyeu annulaire (12) à cylindre droit, constitué d'une première céramique renforcée (32) de manière à présenter des caractéristiques quasiisotropes dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du moyeu, le moyeu compor- tant une multitude d'ailettes en une pièce (14) s'étendant radialement vers l'extérieur, ayant des bords avant (30) et arrière (18), les extré- mités (22) les plus radialement à l'extérieur des ailettes formant nominalement un cylindre cir- culaire droit de même axe que le moyeu; et - des premier (16) et second (24) anneaux de ren- forcement à cylindre droit, annulaires, cons- titués d'une seconde céramique renforcée (34) de manière à présenter des caractéristiques quasi- isotropes dans toutes les directions perpendi- culaires à leur vecteur radial, une extrémité du premier anneau de renforcement étant fixée pour être contiguë à une extrémité du second anneau de renforcement, au moins l'une des extrémités contiguës des anneaux de renforcement présentant une multitude de rainures internes (50) s'éten- dant axialement, les extrémités les plus radiale- ment à l'extérieur des ailettes étant situées généralement à l'intérieur des rainures, les ex- trémités des ailettes étant engagées par embolte- ment dans les rainures lors de la dilatation ther- mique en coopération du moyeu et des anneaux de renforcement, d'o il résulte que le mouvement axial et circonférentiel relatif du moyeu par rapport aux anneaux de renforcement est empêché. 2 - Tuyère selon la revendication 1, 12. caractérisée en ce que les première et seconde céramiques renforcées ont une composition identique. 3 - Tuyère selon la revendication 1, caracté- risée en ce qu'elle comprend des moyens élastiques de sup- port pour monter la tuyère sur une structure annulaire de moteur et tenir compte de la dilatation thermique radiale disparate entre la tuyère et la structure annulaire du moteur, d'o il résulte que la tuyère et la structure annulaire du moteur sont maintenues en alignement axial. 4 - Tuyère selon la revendication 3, caracté- risée en ce que les moyens élastiques de support compor- tent une multitude de bras (64) s'étendant généralement dans le sens axial, ayant un moment d'inertie dans la di- rection radiale sensiblement inférieur au moment d'inertie dans la direction tangentielle, les bras étant espacés cir- conférentiellement les uns des autres autour de la tuyère, avec une extrémité (72) de chaque bras fixée à l'un des anneaux de renforcement sur leur périphérie, l'autre extré- mité des bras étant fixée à la structure annulaire du moteur. - Tuyère composite à matrice céramique dans un moteur à turbine à gaz comportant une structure annulai- re (60) pour le montage de la tuyère (10) sur son dessus, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un moyeu (12) en composite feuilleté annulai- re, à cylindre droit, constitué de couches superposées planes de fibres de renforcement imprégnées d'un matériau à matrice de céramique, l'axe longitudinal du moyeu étant perpendiculai- re aux couches de fibres, le moyeu comportant une multitude d'ailettes (14) en une pièce avec lui s'étendant radialement vers l'exté- rieur qui comporte des bords avant (30) et arrière (18), les extrémités (22) les plus radialement à l'extérieur des ailettes formant 13. nominalement un cylindre circulaire droit de même axe que le moyeu et ayant des surfaces en saillie d'aboutement axiales, radiales et cir- conférentielles (20, 42, 44) en saillie; - un premier anneau de renforcement (16) en composite feuilleté, à cylindre droit, annulai- re, constitué de couches concentriques de fi- bres de renforcement imprégnées d'un matériau à matrice céramique, les fibres et la matrice ayant une composition identique à celle du moyeu, une extrémité du premier anneau de renforcement ayant une surface disposée axialement qui bute contre les surfaces axiales d'aboutement du bord arrière des ailettes; et - un second anneau de renforcement (24) en compo- site feuilleté, à cylindre droit, annulaire, constitué de couches concentriques de fibres de renforcement imprégnées d'un matériau à matrice de céramique, les fibres et la matrice ayant la même composition que le premier anneau de renfor- cement, une extrémité du second anneau de renfor- cement présentant une multitude de rainures inter- nes (50) qui s'étendent axialement, les surfaces des rainures butant contre les surfaces d'aboute- ment radiales, circonférentielles et axiales du bord avant des ailettes lors de leur dilatation thermique, l'extrémité du second anneau de ren- forcement étant réunie à l'extrémité du premier anneau de renforcement, d'o il résulte que le mouvement axial et circonférentiel relatif du moyeu par rapport aux anneaux de renforcement est empêché. 6 - Tuyère selon la revendication 5, caractérisée en ce que les fibres et la matrice du moyeu et des anneaux de renforcement ont une composition identique. 14. 7 - Tuyère selon la revendication 5, caractérisée en ce que les couches de fibres de renforcement sensiblement concentriques des anneaux de renforcement en céramique feuil- letée comprennent un réseau de fibres de renforcement en deux dimensions, enroulé circonférentiellement de manière à obtenir un cylindre circulaire droit, annulaire. 8 - Tuyère selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens élastiques de support mon- tés sur la structure annulaire du moteur pour tenir compte de la dilatation thermique radiale disparate entre la tuyère et la structure annulaire du moteur, d'o il résulte que la tuyère est maintenue en alignement axial avec la structure annulaire du moteur. 9 - Tuyère selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens élastiques de support comprennent une multitude de bras (64) s'étendant axialement et ayant un mo- ment inertiel radial sensiblement inférieur au moment d'iner- tie dans le sens tangentiel, les bras étant espacés circon- férentiellement les uns des autres autour de la tuyère, avec une extrémité de chaque bras fixée à l'un des anneaux de renforcement autour de sa périphérie, et l'autre extrémi- té des bras étant fixée à la structure annulaire du moteur. - Tuyère selon la revendication 9, caractéri- sée en ce que les moyens élastiques de support comprennent six bras de support s'étendant généralement dans le sens axial. 11 - Tuyère selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'un des anneaux de renforcement comporte un re- bord (28) s'étendant radialement vers l'extérieur de maniè- re à faciliter sa jonction avec l'autre anneau de renforce- ment. 12 - Tuyère selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'un des anneaux de renforcement comporte un re- bord (26) s'étendant radialement vers l'extérieur de manière à faciliter la jonction du moyen de support. 15. 13 - Tuyère selon la revendication 5, caractéri- sée en ce qu'une surface d'aboutement en saillie sur l'extrémité radialement extérieure de chacune des ailet- tes a la forme d'un arc.