Brevet FR2916675A1 — publié le 20081205

B08-0637FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Matériau composite pour structure de support de turbine Invention de : NAMBURI Adi Narayana RAO Hayagreeva THAIGARAJAN Chinniah Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 21 mars 2007 sous le n 11/688.914 Matériau composite pour structure de support de turbine La présente porte sur des matériaux composites et, plus particulièrement, concerne un matériau composite à dilatation thermique limitée, destiné à servir dans des structures de support de turbines. Le jeu entre une aube mobile de turbine et le carter de turbine, appelé jeu en bout d'aube, est très important pour les performances d'une turbine. De trop grands jeux en bouts d'aubes provoquent des fuites préjudiciables aux performances de la turbine. Des jeux en bouts d'aubes trop petits risquent d'aboutir à des frottements ou à une usure à l'intérieur d'une turbine et risquent de provoquer un mauvais fonctionnement de la turbine. Le maintien des jeux en bouts d'aubes à un niveau adéquat est important pour un fonctionnement efficace et sans soucis des turbines à vapeur et des turbines à gaz. Un important facteur influençant les jeux en bouts d'aubes est constitué par la dilatation thermique des structures de support de turbines. L'enveloppe extérieure d'une turbine est généralement supportée par une structure séparée de celle qui supporte le rotor de turbine. Les enveloppes extérieures de turbine ont souvent des prolongements appelés branches d'enveloppe, qui reposent sur des montants. De même, il est fréquent que les rotors soient supportés par des montants sur paliers lisses. A mesure que la turbine s'échauffe pendant son fonctionnement, les gaz passant par l'enveloppe extérieure de la turbine échauffent l'enveloppe. La chaleur est transmise par l'intermédiaire de l'enveloppe à la structure de support d'enveloppe. Les structures de support de rotor s'échauffent elles aussi pendant le fonctionnement de la turbine, mais à un degré moindre que les structures de support d'enveloppe. Les matériaux connus utilisés dans les structures de support de turbine se dilatent lorsqu'ils s'échauffent. En raison des différents degrés d'échauffement, les structures d'enveloppe de turbine et de support de rotor faites de matériaux connus peuvent présenter différentes dilatations verticales pendant le fonctionnement d'une turbine. Les dilatations verticales différentes peuvent avoir une incidence sur les jeux en bouts d'aubes à l'intérieur de la turbine. Par conséquent, il est souhaitable de disposer d'un matériau pour structure de support de turbine présentant une dilatation thermique minime ou limitée. L'utilisation d'un tel matériau permet d'éviter les problèmes de jeu en bouts d'aubes, provoqués par la dilatation thermique de structures de support de turbine faites de matériaux connus. Dans une première forme de réalisation, la présente demande propose un matériau composite. Le matériau composite peut comporter un premier matériau à coefficient de dilatation thermique positif et un second matériau à coefficient de dilatation thermique négatif, à nombre de Poisson négatif, ou à la fois à coefficient de dilatation thermique négatif et à nombre de Poisson négatif. L'invention a également pour objet une turbine ayant une structure de support qui peut comprendre un premier matériau à coefficient de dilatation thermique positif et un second matériau à coefficient de dilatation thermique négatif, à nombre de Poisson négatif, ou à la fois à coefficient de dilatation thermique négatif et à nombre de Poisson négatif. La présente invention a encore pour objet un procédé de support de turbine comprenant la réalisation d'une structure de support pouvant comprendre un premier matériau à coefficient de dilatation thermique positif et un second matériau à coefficient de dilatation thermique négatif, à nombre de Poisson négatif, ou à la fois à coefficient de dilatation thermique négatif et à nombre de Poisson négatif, et le chauffage de la structure de support. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : la Fig. 1 est une vue en coupe transversale du matériau composite d'une forme de réalisation selon la présente demande décrite ici ; la Fig. 2 est une vue en coupe transversale de la microstructure d'une forme de réalisation selon la présente demande décrite ici ; la Fig. 3 est une vue en coupe transversale d'une turbine d'une forme de réalisation selon la présente demande décrite ici ; et la Fig. 4 est une vue en bout d'une structure de support de turbine décrite ici. Considérant maintenant les dessins, sur lesquels les mêmes repères désignent des éléments identiques sur toutes les vues séparées, la Fig. 1 représente une vue en coupe transversale d'un matériau composite 10 d'une forme particulière de réalisation selon la présente demande. Les matériaux composites sont des matériaux obtenus en combinant deux ou plus de deux matériaux distincts ayant chacun ses propres caractéristiques, généralement différentes. La combinaison peut donner un composite à propriétés utiles pour des applications spécifiques. Par exemple, des matériaux composites peuvent être utiles dans des applications où la dilatation thermique doit être limitée. La dilatation thermique est le changement de dimensions présenté par un matériau lorsque change la température du matériau. Le matériau composite 10 comprend un premier matériau 11 et un second matériau 12. Le premier matériau 11 a un coefficient de dilatation thermique positif. Un coefficient de dilatation thermique se définit comme la fraction de changement de longueur ou de volume d'un matériau par degré de changement de température. Un matériau à coefficient de dilatation thermique positif subit une augmentation de longueur ou de volume lorsque la température augmente. On peut citer comme exemples nullement limitatifs de matériaux à coefficient de dilatation thermique positif les métaux, les céramiques, le verre, les polymères thermodurcissables, les thermoplastiques et les alliages ou combinaisons de ceux-ci. On citera comme exemples nullement limitatifs de métaux à coefficient de dilatation thermique positif la fonte, l'acier moulé et les alliages à faible teneur en chrome. On citera comme exemples nullement limitatifs de polymères thermodurcissables à coefficient de dilatation thermique positif les résines époxy, le polyimide et les polyesters haute température. On citera comme exemples nullement limitatifs de thermoplastiques à coefficient de dilatation thermique positif les polyimides, les polyétherimides, les polytétrafluoréthylènes, les polyéthercétones, les polyétheréthercétones et les polyéthercétonecétones. Le second matériau 12 a un coefficient de dilatation thermique négatif, un nombre de Poisson négatif ou à la fois un coefficient de dilatation thermique négatif et un nombre de Poisson négatif. Un matériau à coefficient de dilatation thermique négatif subit une diminution de longueur ou de volume à mesure que la température augmente. Un nombre de Poisson se définit comme le rapport de la déformation transversale par contraction à la déformation par allongement lorsqu'une charge est appliquée à un matériau. Les matériaux à nombre de Poisson négatif se dilatent dans une direction normale à une charge appliquée. Les matériaux à nombre de Poisson négatif sont également appelés matériaux auxétiques. On citera comme exemples nullement limitatifs de matériaux à coefficient de dilatation thermique négatif, à nombre de Poisson négatif ou à la fois à coefficient de dilatation thermique négatif et à nombre de Poisson négatif, les alliages de fer-nickel, les fibres de carbone, les fibres de graphite, les nanotubes de carbone, les fibres aramides, le tungstate de zirconium, les zéolites et les combinaisons de ceux-ci. En combinant le premier matériau 11 et le second matériau 12, on forme un 35 matériau composite 10. Le coefficient de dilatation thermique d'ensemble du matériau composite 10 peut être limité en modifiant les proportions relatives du premier matériau 11 et du second matériau 12. Le coefficient de dilatation thermique d'ensemble du matériau composite 10 peut également être limité en modifiant la structure du matériau composite 10. Dans une première forme de réalisation, le matériau composite 10 comprend une matrice stratifiée du premier matériau 11 et du second matériau 12 constituée de couches ou strates alternées du premier matériau 11 et du second matériau 12. Dans une autre forme de réalisation, le coefficient de dilatation thermique du matériau composite 10 peut être conçu de manière à être à peu près égal au coefficient de dilatation thermique d'un autre matériau. Dans encore une autre forme de réalisation, le coefficient de dilatation thermique du matériau composite 10 peut être conçu de manière à être à peu près nul. Une dilatation thermique approximativement nulle fait référence à une dilatation thermique inférieure à environ 5 ppm/ C. Dans des applications particulières du matériau composite, notamment dans des structures de support de turbines, il peut être souhaité de limiter le coefficient thermique dans une direction telle que la direction verticale ou axe y. Le terme vertical qualifie globalement la direction normale au plan de l'horizon. Dans une forme de réalisation selon la présente demande, le premier matériau 11 et le second matériau 12 peuvent être combinés de manière à aboutir à une dilatation thermique verticale nette à peu près nulle du matériau composite 10. Dans encore une autre forme de réalisation, le matériau composite 10 comprend un premier matériau 1l à coefficient de dilatation thermique positif, un deuxième matériau 12 à coefficient de dilatation thermique négatif et un troisième matériau à nombre de Poisson négatif. Dans une forme de réalisation particulièrement souhaitable, un matériau composite 10 à coefficient de dilatation thermique à peu près nul comprend un système de polymère à base de résine époxy avec des fibres de verre à coefficient de dilatation thermique positif, des fibres de carbone sous forme de graphite à dilatation thermique négatif, et une charge de zéolite. La Fig. 2 représente une vue en coupe transversale de la microstructure d'un matériau composite 20 d'une forme particulièrement souhaitable de réalisation de la présente demande. Le matériau composite 20 comprend un premier matériau 21 et un second matériau 22. Le premier matériau 21 a un coefficient de dilatation thermique positif. Le second matériau 22 a un coefficient de dilatation thermique négatif, un nombre de Poisson négatif ou à la fois un coefficient de dilatation thermique négatif et un nombre de Poisson négatif. Le premier matériau 21 et le second matériau 22 sont organisés sous la forme d'une matrice en couches de façon que la dilatation thermique du premier matériau 21 soit compensée par la contraction thermique, la contraction sous une charge appliquée, ou à la fois la contraction thermique et la contraction sous une charge appliquée du second matériau 22. Dans une forme de réalisation préférée, le premier matériau 21 et le second matériau 22 sont agencés pour donner une dilatation thermique nette approximativement nulle de l'ensemble de la structure. La Fig. 3 représente une vue en coupe transversale d'une turbine 30 d'une forme de réalisation selon la présente demande. Une turbine est une machine tournante qui extrait de la puissance mécanique de l'énergie d'un courant de fluide. On citera comme exemples nullement limitatifs de turbines les turbines à vapeur et les turbines à gaz. Les turbines à vapeur extraient de la puissance mécanique de vapeur sous pression tandis que les turbines à gaz extraient de la puissance mécanique d'un flux de gaz de combustion. Généralement, les turbines fonctionnent à des températures élevées. Dans une forme de réalisation, la turbine 30 comprend une enveloppe 31, qui est la partie fixe de la turbine et qui est également appelée stator, capot, coque ou carter. La turbine 30 comporte également un rotor 32, qui est la partie tournante de la turbine. Le rotor 32 comporte un arbre 33 avec des jeux d'aubes mobiles 34 qui coopèrent avec un flux de fluide pour faire tourner le rotor 32. La turbine 30 est supportée par une structure de support 35 qui comporte des supports d'enveloppe et des supports de rotor. L'enveloppe extérieure 31 de la turbine 30 comporte des prolongements appelés branches 36 d'enveloppe, qui reposent sur des montants 37 de support d'enveloppe. Le rotor est supporté par des montants de support de rotor séparés 38. Comme la turbine 30 s'échauffe pendant son fonctionnement, les gaz passant dans l'enveloppe extérieure 31 de la turbine 30 échauffent l'enveloppe 31. La chaleur est transmise, par l'intermédiaire de l'enveloppe 31, aux branches 36 d'enveloppe et aux montants 37 de support d'enveloppe. Les montants 38 de support de rotor s'échauffent eux aussi pendant le fonctionnement de la turbine, mais ils s'échauffent généralement à un degré moindre que les branches 36 d'enveloppe et les montants 37 de support d'enveloppe. Afin d'éviter, dans la structure de supports 35 de turbine, des différences de dilatation thermique qui peuvent perturber les jeux en bouts d'aubes à l'intérieur de la turbine 30, la structure de supports 35 de turbine comprend un matériau composite selon une forme de réalisation de la présente demande. Dans une forme particulière de réalisation de la présente demande, la structure de support de turbine chauffe entre environ 0 C et environ 2000 C. La Fig. 4 représente une vue en bout d'une structure de support 40 de turbine qui comprend des structures d'enveloppe et des structures de support selon une forme de réalisation de la présente demande. Les branches 41 d'enveloppe reposent sur des montants de support 42 d'enveloppe et supportent l'enveloppe extérieure de la turbine. Le rotor 43 est supporté par des montants de support de rotor séparés 44. La totalité ou une partie de la structure de support de turbine peut comporter le matériau composite décrit ici. Par exemple, seuls les montants de supports 42 d'enveloppe peuvent comporter un premier matériau à coefficient de dilatation thermique positif et un second matériau à coefficient de dilatation thermique négatif, un nombre de Poisson négatif, ou à la fois un coefficient de dilatation thermique négatif et un nombre de Poisson négatif. Les montants de support 44 de rotor peuvent comporter le même matériau ou un autre matériau. Dans une forme de réalisation, la dilatation thermique des montants de support 42 d'enveloppe peut être conçue pour s'adapter à l'allongement vertical des montants de support 44 de rotor qui survient pendant le fonctionnement de la turbine, en évitant de la sorte des effets dommageables sur les jeux en bouts d'aubes à l'intérieur de la turbine. Liste des repères Repère Désignation 10 Matériau composite 11 Premier matériau 12 Second matériau 20 Matériau composite 21 Premier matériau 22 Second matériau 30 Turbine 31 Enveloppe 32 Rotor 33 Arbre de rotor 34 Aubes mobiles de rotor 35 Structure de support de turbine 36 Branches d'enveloppe 37 Montants de supports d'enveloppe 38 Montants de supports de rotor 40 Structure de support de turbine 41 Branches d'enveloppe 42 Montants de supports d'enveloppe 43 Rotor 44 Montants de supports de rotor REVENDICATIONS 1. Matériau composite comprenant : un premier matériau (11) à coefficient de dilatation thermique positif ; et un second matériau (12) à coefficient de dilatation thermique négatif, à nombre de Poisson négatif ou à la fois à coefficient de dilatation thermique négatif et à nombre de Poisson négatif. 2. Matériau composite (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit premier matériau (11) est constitué par un métal, une céramique, du verre, un polymère thermodurcissable, une thermoplastique ou des alliages ou combinaisons de ceux-ci. 3. Matériau composite (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit second matériau (12) est constitué par un alliage de fer-nickel, des fibres de carbone, des fibres de graphite, des nanotubes de carbone, des fibres aramides, du tungstate de zirconium, une zéolite ou des combinaisons de ceux-ci. 4. Matériau composite (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit premier matériau (11) et ledit second matériau (12) sont combinés de manière à provoquer une dilatation thermique verticale nette sensiblement nulle dudit matériau composite (10). 5. Matériau composite (10) selon la revendication 1, ledit matériau composite (10) comportant une matrice en couches dudit premier matériau (11) et dudit second matériau (12). 6. Matériau composite (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit second matériau (12) a un coefficient de dilatation thermique négatif, et contient en outre un troisième matériau à nombre de Poisson négatif. 7. Structure de support (35) de turbine comprenant le matériau composite (10) selon la revendication 1. 8. Turbine (30), comprenant : une structure de support (35) qui comprend un premier matériau (11) à coefficient de dilatation thermique positif ; etun second matériau (12) à coefficient de dilatation thermique négatif, à nombre de Poisson négatif ou à la fois à coefficient de dilatation thermique négatif et à nombre de Poisson négatif. 9. Procédé de support d'une turbine (30) à dilatation thermique limitée, 5 comprenant : la réalisation d'une structure de support (35) qui comprend un premier matériau (11) à coefficient de dilatation thermique positif ; et un second matériau (12) à coefficient de dilatation thermique négatif, 10 à nombre de Poisson négatif ou à la fois à coefficient de dilatation thermique négatif et à nombre de Poisson négatif ; et l'échauffement de ladite structure de support (35). 10. Procédé de support d'une turbine (30) selon la revendication 14, dans lequel ladite structure de support (35) est échauffée entre environ 0 C et environ 15 2000 C.