Brevet FR3040445A1 — publié le 20170303

DOMAINE DE L'INVENTION Le présent exposé concerne une pièce thermomécanique annulaire pour turbomachine, pouvant être utilisée par exemple comme pièce abradable ou pièce de scellement. Le présent exposé concerne également un étage de turbomachine et une turbomachine comprenant une telle pièce thermomécanique. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Dans les turbomachines, par exemple de moteur d'avion, certaines parties du rotor sont susceptibles d'entrer en contact avec le stator dans certaines configurations de fonctionnement. Pour éviter leur destruction dans ces situations, on équipe généralement les stators de revêtements permettant l'interface et qui sont dénommés « abradables ». Comme matériau abradable, on connaît par exemple une résine chargée en billes de verre borosilicate ou aluminosilicate creuses. Cependant, en cas de forte abrasion, des débris de matériau abradable sont projetés dans la turbomachine, vers l'aval. Selon les cas, soit ces débris obturent les trous de ventilation des aubes, soit les billes deviennent pâteuses du fait des températures élevées et s'accrochent aux parois internes des trous de ventilation. Ainsi, l'utilisation d'un tel matériau abradable détériore la ventilation des aubes en aval. On connaît d'autres matériaux abradables, par exemple composés d'une partie métallique et d'une partie organique. Toutefois, de tels matériaux sont sujets aux phénomènes de déflagration et d'auto-inflammation qui peuvent endommager la turbomachine. Ces matériaux ne conviennent donc pas pour des turbomachines dans lesquelles la température et/ou la pression sont accrues en vue de l'amélioration des performances. Il existe donc un besoin pour un nouveau type de pièce thermomécanique annulaire pour turbomachine. 3040445 2 PRÉSENTATION DE L'INVENTION A cet effet, le présent exposé concerne une pièce thermomécanique annulaire pour turbomachine, comprenant au moins un revêtement comportant une matrice polymère et des charges en matériau 5 thermodégradable. On comprend que les charges sont dans un matériau différent du matériau de la résine. Un matériau thermodégradable est un matériau qui se dégrade de manière irréversible sous l'effet de la température. La dégradation est 10 toute destruction ou altération irréversible des propriétés d'un matériau, par exemple par rupture de la chaîne moléculaire et/ou réaction chimique, de façon à transformer les molécules en éléments plus petits. Une thermodégradation est une transformation d'un matériau sous l'effet de la température, soit par dessiccation rapide et rupture en particules fines, 15 soit, pour des températures plus élevées, par transformation chimique et fragmentation en particules fines. A l'inverse, un changement d'état, qui est réversible, ne constitue pas une thermodégradation au sens du présent exposé. Les inventeurs ont constaté que les débris du revêtement de la 20 pièce thermomécanique employé comme matériau abradable subissaient, après leur détachement de la pièce, une augmentation de température due à leur entrée dans des régions de la turbomachine ayant des températures plus élevées. Ainsi, lorsque la pièce est usée, les charges en matériau thermodégradable se dégradent du fait de l'augmentation de 25 température. Par suite, les charges ne risquent pas de réduire la section des trous de ventilation, ni a fortiori de les boucher, car les chaînes élémentaires qui formaient ces charges ont été détruites et transformées. Par ailleurs, lorsqu'il est employé comme matériau de scellement, le revêtement de la pièce thermomécanique assure une bonne élasticité pour 30 atténuer les vibrations, la présence de charges en matériau 3040445 3 thermodégradable renforçant la cohésion du matériau à température relativement basse. Ainsi, selon le taux de charges dans la matrice, la pièce thermomécanique peut être employée comme matériau abradable entre 5 une partie fixe et une partie mobile, notamment tournante, ou comme matériau de scellement pour relier deux parties statoriques qui peuvent vibrer l'une par rapport à l'autre. Dans certains modes de réalisation, le taux massique de charges dans la matrice est compris entre 5% et 90%, et peut valoir de préférence 10 environ 50%. Comme on le précisera par la suite, le taux massique de charges dépend de la nature de la charge utilisée. Un taux faible, par exemple inférieur ou égal à 50%, permet à la pièce thermomécanique de conserver une bonne élasticité ; un tel taux est particulièrement adapté pour une utilisation de la pièce thermomécanique comme matériau de 15 scellement. Un taux plus élevé, par exemple supérieur ou égal à 50%, augmente le caractère abradable de la pièce thermomécanique. Dans certains modes de réalisation, le matériau thermodégradable est configuré pour se dégrader à 500°C, de préférence à 450°C, de préférence à 400°C, de préférence à 350°C. Dire que le matériau 20 thermodégradable est configuré pour se dégrader à une température donnée signifie qu'à cette température donnée et à toute température supérieure, le matériau thermodégradable se dégrade. Cette propriété est appréciée dans l'air ambiant à la pression atmosphérique, étant entendu que dans une turbomachine, l'air est comprimé et le taux d'oxygène est 25 plus important encore dans l'air ambiant à la pression atmosphérique. Dans certains modes de réalisation, le matériau thermodégradable est configuré pour ne pas se dégrader à des températures inférieures ou égales à 150°C, de préférence à 200°C, de préférence à 250°C. L'absence de thermodégradation est à considérer dans les mêmes conditions 30 thermodynamiques que pour le paragraphe précédent, hormis la 3040445 4 température. Ainsi, la pièce thermomécanique conserve ses propriétés mécaniques pour des températures de fonctionnement usuelles de telles pièces thermomécaniques. Dans certains modes de réalisation, le matériau thermodégradable 5 est un matériau végétal. Un matériau végétal, aussi appelé biomatériau, est un matériau issu d'un végétal, c'est-à-dire d'un organisme vivant dont les cellules ont une paroi faite de cellulose. Un matériau à base de cellulose a un point d'inflammation compris environ entre 250°C et 300°C. Le matériau végétal peut comprendre jusqu'à 10°/0 d'additifs d'origine non 10 végétale, par exemple d'une colle servant à maintenir le matériau végétal sous forme de mat ou d'un traitement superficiel de type enzymage pour obtenir une bonne adhérence du matériau végétal à la matrice. Le matériau végétal peut être du chanvre, du sisal, du lin ou tout autre matériau végétal que l'on peut obtenir sous forme de particules ou de 15 fibres. Le matériau végétal peut être manufacturé, par exemple sous formes de mat, d'intissé ou de matériaux tissés, le motif et la densité de charges pouvant alors être, dans ces cas, choisis en fonction du volume de résine résiduelle désiré. Un matériau végétal est thermodégradable. Un matériau végétal a 20 de plus l'avantage d'être non déflagrant, c'est-à-dire qu'il n'engendre pas d'explosion lors de sa montée en température. Ainsi, la dégradation du matériau végétal sous l'effet de la température n'endommage pas la turbomachine. Dans certains modes de réalisation, les charges sont sous forme de 25 particules rondes, de particules aciculaires, de fibres, de mat ou de tissu. Les charges peuvent être sous forme de non-tissés. Les fibres peuvent être des fibres courtes, de dimension maximale comprise entre 5 mm et 10 mm, ou des fibres plus longues. Dans certains modes de réalisation, le matériau thermodégradable 30 est configuré pour se dégrader par combustion. Le type et la vitesse de 3040445 5 combustion dépendent des conditions thermodynamiques. Dans une turbomachine, les conditions thermodynamiques sont liées à la partie de la turbomachine dans laquelle la combustion a lieu. Par exemple, après abrasion dans le compresseur basse pression du moteur où la température 5 maximale peut être comprise entre 150°C et 200°C, les particules passent dans le compresseur haute pression où la température augmente progressivement pour atteindre par exemple 600°C à 700°C. C'est dans cette partie de la turbomachine que les particules abrasées subissent la thermodégradation. 10 Dans certains modes de réalisation, le matériau thermodégradable est tel que sa dégradation sous l'effet de la température produit du carbone. Le carbone est non déflagrant et ne s'enflamme pas seul. En outre, ledit carbone étant le résultat d'une thermodégradation, les particules sont suffisamment fines pour ne pas boucher les trous de 15 ventilation. Dans certains modes de réalisation, le taux d'humidité des charges est compris entre 40% et 75% lors de la fabrication de la pièce thermomécanique. Après la fabrication, le taux d'humidité des charges s'équilibre avec celui de la matrice, de sorte que le taux d'humidité des 20 charges est finalement égal à celui du milieu dans lequel les charges se trouvent. La dégradation des charges sous l'effet de la température est facilitée. Dans certains modes de réalisation, la matrice polymère comprend principalement au moins un polysiloxane. On comprend que ledit au moins 25 un polysiloxane forme le composant principal de la matrice, par exemple au moins 50% de la matrice, préférentiellement au moins 60% de la matrice, plus préférentiellement au moins 70% de la matrice, plus préférentiellement au moins 80% de la matrice, plus préférentiellement au moins 90°/0 de la matrice, plus préférentiellement au moins 95% de la 30 matrice. Le polysiloxane peut être une résine de silicone. 3040445 6 Le présent exposé concerne également un étage de turbomachine comprenant un carter et un rotor configuré pour tourner à l'intérieur du carter, l'étage comprenant en outre une pièce thermomécanique telle que précédemment décrite, placée sur le carter et radialement située entre le 5 rotor et le carter. La direction radiale s'entend par rapport à l'axe de rotation du rotor. Dans un tel étage de turbomachine, la pièce thermomécanique est utilisée comme matériau abradable. Le présent exposé concerne également un étage de turbomachine comprenant un carter et une pièce statorique montée dans le carter, 10 l'étage comprenant en outre une pièce thermomécanique telle que précédemment décrite, placée sur le carter et joignant le carter et la pièce statorique. Dans un tel étage de turbomachine, la pièce thermomécanique est utilisée comme matériau de scellement pour relier la pièce statorique au carter tout en empêchant la transmission des vibrations. 15 Le présent exposé concerne également une turbomachine comprenant une pièce thermomécanique telle que précédemment décrite et/ou un étage de turbomachine tel que précédemment décrit. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la 20 description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en section partielle d'une turbomachine comprenant des pièces thermomécaniques ; 25 - la figure 2 est une photographie d'une coupe d'une pièce thermomécanique selon un mode de réalisation ; - la figure 3 est une photographie de la pièce thermomécanique de la figure 2 après un test d'utilisation. 30 3040445 7 DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION La figure 1 représente schématiquement une partie d'une turbomachine 50 comprenant des pièces thermomécaniques 10 selon un mode de réalisation de l'invention. Dans cet exemple, la turbomachine 50 5 est une turbomachine à double flux. En l'occurrence, un flux d'air F est brassé par les pales 52 d'une soufflante et pénètre dans la turbomachine 50, où il est ensuite divisé et réparti entre une veine 54 et un compresseur 56. Des pièces thermomécaniques 10 dont un revêtement est utilisé 10 comme matériau abradable peuvent être placées en regard des extrémités distales des aubes mobiles de la turbomachine 50, notamment des extrémités des aubes mobiles 52 de soufflante et des aubes mobiles 58 de compresseur. De telles pièces thermomécaniques 10 sont de préférence sensiblement annulaires et peuvent être disposées autour de l'axe A de la 15 turbomachine. Des pièces thermomécaniques 10 dont un revêtement est utilisé comme matériau abradable et comme matériau de scellement peuvent également être positionnées sur les parties redresseurs statiques, par exemple au pied des aubes de redresseur 60, en regard de léchettes 20 d'étanchéité 62 où elles jouent également un rôle de scellement en complément à celui d'abradabilité. L'abrasion produite par les léchettes d'étanchéité 62 est bien moindre que celle produite par les aubes mobiles 52, 58. Un exemple de mode de réalisation d'une telle pièce 25 thermomécanique va maintenant être décrit en référence aux figures 2 et 3. Comme indiqué précédemment, cette pièce thermomécanique comprend au moins un revêtement comportant une matrice polymère et des charges en matériau thermodégradable. En l'occurrence, comme représenté sur la figure 2, la pièce thermomécanique 10 est entièrement 3040445 8 constituée de charges en matériau thermodégradable 12 noyées dans une matrice polymère 14. Dans ce mode de réalisation, la matrice polymère 14 comprend principalement au moins un polysiloxane, plus particulièrement ici une 5 résine de silicone, de préférence une résine de silicone bi-composante réticulant en masse à température ambiante et en température. Par ailleurs, les charges 12 comprennent des charges végétales, ici en sisal. Dans cet exemple, les charges 12 sont sous forme de fibres et plus particulièrement de fibres courtes, c'est-à-dire de plus grande 10 dimension comprise environ entre 5 mm et 10 mm. Dans ce mode de réalisation, le taux massique de charges 12 dans la matrice vaut environ 70%. Comme indiqué précédemment, un taux massique de charges d'environ 50% ou plus est favorable à l'utilisation de la pièce thermomécanique comme matériau abradable. 15 Le taux massique choisi pour un type de charges peut être déterminé en fonction de la masse volumique desdites charges. Par exemple, la masse volumique de fibres longues de chanvre ou de lin est de 1,4 à 1,5 kg/m3 alors que ces mêmes matériaux sous forme de poudre, selon leur taux de compression, ont une masse volumique comprise entre 20 1 kg/m3 et 2,7 kg/m3. Lorsque la pièce thermomécanique 10 est destinée à être utilisée uniquement comme abradable, les charges seront préférentiellement sous forme de poudre, de forme indifférente. A l'inverse, lorsque la pièce thermomécanique 10 est destinée à être utilisée comme abradable ou matériau de scellement, l'utilisation de charges sous 25 forme de fibres, particulièrement de fibres longues, améliore la tenue mécanique du revêtement. La pièce thermomécanique 10 a été soumise à des essais d'abrasion pour en vérifier les propriétés. Les conditions d'essai sont les suivantes. On soumet la pièce thermomécanique 10 à une abrasion par un rotor comprenant trois aubes, ici en alliage à base titane, 30 régulièrement réparties autour de leur axe de rotation. La profondeur de 3040445 9 pénétration des aubes dans le revêtement est fixée à 2 mm, ce qui représente le double de la profondeur de pénétration utilisée dans les essais standards. La profondeur de pénétration dépend de la distance entre l'axe du rotor et la pièce thermomécanique et représente l'épaisseur 5 maximale de revêtement susceptible d'entrer en contact avec les aubes du rotor. La vitesse de pénétration, c'est-à-dire la vitesse de rapprochement de l'axe du rotor et de la pièce thermomécanique, vaut 0,15 mm/s. La vitesse périphérique des aubes vaut 210 m/s. L'essai est réalisé à température ambiante. Les résultats attendus lors de cet essai sont une 10 usure nulle ou presque nulle (inférieure à quelques centièmes de millimètre, en particulier inférieure à 0,10 mm) des aubes, une trace dans l'abradable présentant une faible rugosité, une pénétration conforme à la consigne d'essai, ainsi que le moins d'efforts et d'échauffement possible pendant le contact. 15 Les résultats obtenus ont été résumés dans le Tableau 1 ci- dessous. L'effort maximal est l'effort maximum exercé par la pièce thermomécanique 10 sur les aubes selon une direction donnée. La direction axiale correspond à la direction de l'axe du rotor (axe de rotation des pales, analogue à l'axe A de la figure 1) et une direction radiale est 20 une direction perpendiculaire à l'axe du rotor et coupant cet axe. De même, un plan axial est un plan contenant l'axe du rotor et un plan radial est un plan perpendiculaire à cet axe. Une direction tangentielle est une direction perpendiculaire à la direction axiale et ne passant pas par l'axe du rotor. 25 L'usure de chacune des trois aubes du rotor est mesurée comme la perte de longueur maximale selon la direction radiale (direction couramment appelée « hauteur de l'aube »). 3040445 10 Effort maximal (N) Usure des aubes (mm) Axial Tangentiel Radial Aube 1 Aube 2 Aube 3 0 0,5 1,8 0,01 0,01 0,02 Tableau 1 Les résultats du tableau 1 confirment que le revêtement de la pièce thermomécanique 10 selon ce mode de réalisation constitue un bon 5 matériau abradable. En effet, les valeurs d'effort sont faibles par comparaison avec des efforts mesurés pour un revêtement en silicone chargée de billes de verre creuses et qui sont typiquement de l'ordre de 2 à 3 N en effort radial pour une profondeur de pénétration deux fois moins importante. 10 Par ailleurs, l'usure des aubes est également réduite par rapport à un revêtement abradable en silicone chargée de billes de verre creuses, pour lequel des valeurs d'usure sensiblement identiques sont déjà atteintes pour une profondeur de pénétration de 1 mm seulement. La figure 3 montre un échantillon de la pièce thermomécanique 10, 15 dans lequel on peut voir la trace 16 créée par l'abrasion due aux aubes lors de l'essai d'abrasion. Conformément au protocole d'essai, la profondeur maximale de la trace 16 est de 2 mm. On constate que l'abrasion par les aubes creuse le revêtement abradable de manière nette. Certaines charges 18 montrent des traces d'échauffement ou de brûlure. 20 Cette brûlure est le signe d'un début de thermodégradation des charges 18. Les charges 12, 18 sont telles que leur échauffement ne provoque pas d'explosion (on parle aussi d'échauffement non déflagrant). Au cours de l'essai, la matière retirée par abrasion (matrice et charges) est évacuée sous forme de poussière. En effet, dans le cas de 25 charges en matériau végétal, la matrice infiltre les charges et est évacuée avec les charges. En outre, en conditions d'utilisation réelle dans une turbomachine, comme les charges 12 sont thermodégradables, cette 3040445 11 poussière est apte à se dégrader, sous l'effet de la température, dans les parties aval de la turbomachine qui présentent des températures plus élevées. La thermodégradation des charges 12 peut se faire au moins en partie par combustion. Dans le cas présent, la thermodégradation par 5 combustion de matière végétale produit du carbone. Un procédé de revêtement d'une pièce thermomécanique annulaire pour turbomachine va maintenant être décrit. Un tel procédé peut comprendre les étapes suivantes : - fournir une matrice en polymère ; 10 - charger la matrice avec un matériau thermodégradable ; - appliquer la matrice chargée sur la pièce. L'étape d'application résulte en ce que la pièce comprend au moins un revêtement comportant une matrice polymère et des charges en matériau thermodégradable. 15 L'étape de chargement de la matrice avec un matériau thermodégradable peut comprendre le fait de mélanger la matrice chargée, par exemple à l'aide d'un mélangeur statique ou dynamique, pour en assurer l'homogénéité. Par ailleurs, l'étape de chargement de la matrice peut comprendre le fait d'extraire les bulles d'air de la matrice 20 chargée. Le cas échéant, cette extraction de bulles est de préférence prévue après le mélange par un mélangeur. L'étape de chargement de la matrice avec des charges thermodégradables peut être effectuée manuellement, par injection, par le procédé connu par l'homme du métier sous le nom de « Resin Transfer 25 Molding » (RTM) ou encore par infusion. L'application manuelle, l'injection et le procédé RTM peuvent être utilisés pour appliquer directement le revêtement en matrice chargée sur la pièce. L'infusion peut être utilisée pour imprégner de matrice polymère une préforme en charges thermodégradables (notamment des fibres ou un tissu), laquelle préforme 30 doit ensuite être rapportée sur la pièce, par exemple par collage. 3040445 12 Le mode de réalisation décrit en référence aux figures est tel que la pièce entière est formée du seul revêtement. Dans d'autres modes de réalisation, la pièce thermomécanique pourrait comprendre un support sur lequel est appliqué le revêtement. 5 Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, des modifications peuvent être apportées à ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés 10 peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. REVENDICATIONS1. Pièce thermomécanique annulaire (10) pour turbomachine (50), comprenant au moins un revêtement comportant une matrice polymère 5 (14) et des charges (12) en matériau thermodégradable. 2. Pièce thermomécanique selon la revendication 1, dans laquelle le matériau thermodégradable est configuré pour se dégrader à 500°C, de préférence à 450°C, de préférence à 400°C, de préférence à 350°C. 10 3. Pièce thermomécanique selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le matériau thermodégradable est un matériau végétal. 4. Pièce thermomécanique selon l'une quelconque des revendications 15 1 à 3, dans laquelle les charges (12) sont sous forme de particules rondes, de particules aciculaires, de fibres, de mat ou de tissu. 5. Pièce thermomécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le matériau thermodégradable est configuré pour se 20 dégrader par combustion. 6. Pièce thermomécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le matériau thermodégradable est tel que sa dégradation produit du carbone. 25 7. Pièce thermomécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la matrice polymère (14) comprend principalement au moins un polysiloxane. 3040445 14 8. Etage de turbomachine comprenant un carter et un rotor (52, 56) configuré pour tourner à l'intérieur du carter, l'étage comprenant en outre une pièce thermomécanique (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, placée sur le carter et radialement située entre le rotor et le carter. 9. Turbomachine (50) comprenant une pièce thermomécanique (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou un étage selon la revendication 8.10