Brevet FR2960904A1 — publié le 20111209

La présente invention concerne le domaine du refroidissement de pièces de turbomachines soumises à des températures élevées telles que les aubes fixes ou mobiles de turbine dans un moteur à turbine à gaz. Arrière plan de l'invention Dans un moteur à turbine à gaz, le refroidissement des aubes de turbine soumises aux gaz provenant directement de la chambre de combustion, est 10 important car il détermine le niveau de la température maximale que peut supporter cette pièce et les performances du moteur qui en dépendent. En effet une élévation de la température des gaz en entrée de l'étage haute pression de la turbine permet d'améliorer le rendement du moteur. 15 Le niveau de température est limité par les valeurs maximales que peuvent supporter sans dommage les matériaux constituant les différentes pièces qui sont en contact avec ces gaz. En général on réalise ces pièces en alliages base nickel ou cobalt qui offrent de bonnes caractéristiques de tenue à haute température. Cela a pour conséquence d'imposer des contraintes 20 rigoureuses dans la conception et l'élaboration de ces dernières. On cherche en permanence à réaliser des aubes de turbine qui peuvent résister à de sévères conditions de fonctionnement et à des températures de plus en plus élevées. Ce problème s'adresse plus généralement à d'autres 25 pièces métalliques soumises à des températures élevées telles que des éléments de paroi de chambre de combustion ou de post combustion ou des distributeurs. Afin de résoudre ce problème, il est généralement prévu de munir les aubes 30 de circuits internes de refroidissement visant à maintenir le matériau à une température convenable pour sa tenue dans le temps. L'air de refroidissement qui est généralement introduit dans l'aube par son pied, suit un trajet sinueux formé par des canaux au dessin complexe 35 pratiqués dans l'aube, avant d'être éjecté par des orifices s'ouvrant en surface de l'aube. Ainsi, le brevet FR 2765265 (Snecma) propose un aubage de turbine qui est refroidi par une rampe hélicoïdale avec un système d'impact et un système 40 à pontets.5 2 La fabrication de ces pièces avec de tels circuits de canaux est principalement réalisée par des techniques de fonderie à cire perdue complexes. En raison des exigences accrues, elles sont de plus en plus difficiles à mettre au point et onéreuses. Par exemple, il est difficile de contrôler la géométrie interne des canaux. Les différentes structures et canaux de circulation de l'air de refroidissement pour garantir les échanges thermiques requis se traduisent aussi par des ajouts de matière et donc de poids. Dans le cas des aubes monocristallines en particulier des contraintes supplémentaires inhérentes au respect des qualités métallurgiques viennent s'ajouter aux risques de rebut des pièces. Objet et résumé de l'invention. L'invention a pour objectif de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus concernant les aubes de turbomachines mais aussi plus généralement d'améliorer les échanges thermiques à travers les parois d'une pièce métallique de turbomachine. 20 C'est ainsi que conformément à l'invention un élément de paroi d'une pièce métallique de turbomachine avec une première face et une seconde face opposée à la première, la première face étant agencée pour être balayée par un fluide chaud, est caractérisé par le fait que la seconde face 25 comprend une couche de refroidissement dudit élément de paroi. On améliore les échanges thermiques à travers les parois de telles pièces par un traitement de surface augmentant de manière importante la surface d' échange utile. Plus particulièrement, on améliore encore la qualité des échanges thermiques avec un élément de paroi dont les nanotubes de carbone sont disposés perpendiculairement à ladite seconde face. 35 L'invention présente un avantage notamment pour les aubes de turbomachine. Elles comprennent alors un élément de paroi dont la première face est extérieure et la face opposée définit une cavité intérieure parcourue par un fluide de refroidissement. 30 3 Par cet accroissement de l'efficacité des échanges il est ainsi possible de réduire la complexité des canaux de refroidissement ménagés à l'intérieur de la pale et par voie de conséquence le poids des pièces. L'aube par exemple comprend une cavité interne avec une ouverture radiale d'alimentation en fluide de refroidissement et éventuellement au moins une ouverture d'évacuation du fluide de refroidissement, ménagée notamment à proximité du bord de fuite de la pale. Description L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : La figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d'une aube mobile de turbomachine conforme à l'invention, La figure 2 représente schématiquement une vue agrandie de la paroi interne de l'aube de la figure 1. Comme on le voit sur la figure 1, une aube 1 mobile de turbine comprend un pied 10, une pale 11 et une plateforme 12. Le pied est la partie de l'aube par laquelle elle est retenue sur le rotor de la turbine. La pale est la partie de l'aube dont une première face llext, la face extérieure, est au contact des gaz moteurs F de la turbomachine, à l'intérieur de la veine annulaire de la turbine. L'extrémité distale de la pale, c'est-à-dire opposée au pied est généralement pourvue d'un moyen d'étanchéité coopérant avec la paroi externe de la veine de manière à éviter que les gaz contournent la pale. L'ensemble des plateformes délimite la paroi interne de la veine entre les aubes de l'étage de turbine. Pour l'étage de turbine situé immédiatement en aval de la chambre de combustion, la température des gaz impose outre l'emploi de matériaux, tels que des superalliages, et une structure métallique adaptés, un refroidissement des parois qui y sont exposées. Dans l'art antérieur on cherche généralement à améliorer la circulation du fluide de refroidissement à l'intérieur de l'aube dans laquelle on a ménagé des canaux et on combine les différents modes de refroidissement : convection, impact et film. Conformément à l'invention, on améliore les échanges thermiques entre la paroi et le fluide de refroidissement circulant à l'intérieur, tout simplifiant la géométrie de la circulation du fluide de refroidissement, en déposant des nanotubes sur la face interne 11Int de l'aube. Les nanotubes sont de très bons conducteurs thermiques dans le sens de leur longueur. La conductivité thermique théorique à température ambiante est voisine de 6600Wm IK-i pour un nanotube de carbone mono paroi isolé. L'aube comprend une ouverture d'alimentation en air de refroidissement Fa située du côté du pied 10. L'air circule le long de la paroi interne de la pale notamment, qu'il refroidit et est évacué dans la veine de gaz, par des orifices le long de son bord de fuite BF, par exemple. Le circuit représenté sur la figure 1 est simple puisque l'aube creuse ne comporte qu'une seule cavité. Cependant l'invention ne se limite pas à une aube pourvue d'une seule cavité. Un circuit avec plusieurs cavités ou des chicanes est possible. Un exemple de réalisation de cette couche de nanotubes est décrit dans la demande de brevet US 20090272935. Il consiste en un dépôt chimique en phase vapeur qui transforme des molécules gazeuses du précurseur en un matériau solide formant un film de nanotubes à la surface d'un substrat. Une source de composés de carbone est constituée d'hydrocarbures 25 notamment à faible longueur de chaîne de carbones tels que le méthane, l'éthane etc. ou d'alcools ou d'autres composés carboxyliques. L'atmosphère dans laquelle s'opère la réaction est inerte à la température de réaction et ne réagit pas avec les nanotubes de carbone. Elle comprend 30 par exemple l'hélium ou l'argon sous une pression à l'intérieur d'un intervalle de pression auquel les nanotubes peuvent être produits, à savoir entre 102 et 10' Pa. La réaction se fait en présence d'un catalyseur approprié, et connu en soi, 35 tel que par exemple des films fins à base de fer ou de platine. L'alliage base nickel ou cobalt constituant l'aube peut aussi être le catalyseur. Le film de matériau catalyseur a une épaisseur déterminée selon son type. Il est lui-même appliqué par toute méthode appropriée, notamment par pulvérisation électronique ou chimique, sur le substrat. La température de 40 la réaction est déterminée en fonction des autres paramètres cités ci-dessus. Un agent oxydant tel que de la vapeur d'eau peut être introduit dans l'enceinte de réaction. Il améliore la croissance des nanotubes alignés. Cette technique permet donc la formation d'une couche 30, voir figure 2, 5 de nanotubes orientés perpendiculairement à la surface du substrat 11 ici la face interne de la pale traitée. Conformément à une variante préférée, on applique une couche intermédiaire de platine 31 sur le métal constituant la paroi de la pièce. De cette façon, on limite la diffusion du carbone dans le superalliage qui serait susceptible d'affecter ses propriétés de résistance mécanique. Cette couche sert également de catalyseur comme indiqué précédemment. Cette couche présente la propriété, outre son excellente conductivité thermique dans le sens de la longueur des nanotubes, d'augmenter la 15 rugosité de la surface et d'augmenter par là la surface d'échange. Les nanotubes ainsi produits ont une longueur de plusieurs dizaines de micromètres et un recouvrement de la surface de 10 nanotubes par micromètre environ. Un autre avantage des nanotubes est de permettre un contrôle de la densité surfacique du dépôt. On peut ainsi maîtriser les refroidissements locaux et limiter les gradients thermiques. 25 Cette couche additionnelle de nanotubes présente un intérêt particulier pour les aubes mobiles et les distributeurs de turbine coulés à parois creuses (ou doubles parois) selon les technologies de noyaux plaques, en permettant de créer des éléments assimilables aux perturbateurs dans les fentes minces. 20 REVENDICATIONS1. Elément de paroi d'une pièce métallique de turbomachine avec une première face (11ext) et une seconde face (11int) opposée à la première, la première face étant agencée pour être balayée par un fluide chaud (F), caractérisé par le fait que la seconde face (11int) comprend une couche (30) de nanotubes et est destinée à être mise en contact avec un fluide de refroidissement dudit élément de paroi. 2. Elément de paroi selon la revendication précédente dont les nanotubes de carbone sont disposés perpendiculairement à ladite seconde face (1lint). 3. Elément de paroi selon l'une des revendications précédentes dont la couche de nanotubes est appliquée sur une couche de métal (31) tel que le platine, masquant le métal de la pièce. 4. Elément de paroi selon l'une des revendications précédentes réalisé en superalliage. 5. Aube de turbomachine comprenant un élément de paroi selon l'une des revendications précédentes dont la première face est extérieure et la face opposée définit une cavité intérieure destinée à être parcourue par un fluide de refroidissement. 6. Aube selon la revendication précédente dont la cavité interne comprend une ouverture radiale pour une alimentation en fluide de refroidissement. 30 7. Aube selon la revendication précédente dont la cavité comprend au moins une ouverture pour l'évacuation du fluide de refroidissement. 8. Aube selon la revendication précédente dont l'ouverture d'évacuation est ménagée à proximité du bord de fuite de la pale. 9. Turbomachine comprenant au moins une pièce métallique selon l'une des revendications 1 à 3. 10. Turbomachine comprenant au moins une aube selon l'une des 40 revendications 5 à 8. 25 35