Brevet FR3040446A1 — 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 ». La figure 1 représente schématiquement une partie d'une turbomachine 150 de l'état de la technique. Dans cet exemple, la turbomachine 150 est une turbomachine à double flux. En l'occurrence, un flux d'air F est brassé par les pales 152 d'une soufflante et pénètre dans la turbomachine 150, où il est ensuite divisé et réparti entre une veine 154 et un compresseur 156. Le compresseur 156 comprend des aubes mobiles 58 et des aubes de redresseur, ou aubes fixes, 160. Comme illustré sur la figure 1, des matériaux de scellement 110 sont prévus au pied des aubes de redresseur 160. Ces matériaux sont généralement formés d'une résine chargée en billes de verre aluminosilicate creuses. Dans la mesure où ces matériaux 110 sont en contact avec des léchettes d'étanchéité 162 du rotor, ils subissent une légère abrasion. Les débris résultant de cette abrasion sont évacués sans passer par les parties chaudes de la turbomachine. Par ailleurs, des matériaux abradables 112 sont prévus sur les parties statoriques, en regard des aubes mobiles 152, 158. Pour ces abradables 112, les volumes abradés sont plus importants et les débris de l'abrasion suivent le flux d'air vers la chambre de combustion. Or, la 3040446 2 température du flux d'air augmentant progressivement en direction de la chambre de combustion, les résines chargées de billes de verre aluminosilicate se dégradent alors que les billes fondent, s'accrochant ainsi sur les parois internes de trous de ventilation des aubes et des 5 distributeurs de turbine, ce qui favorise l'accrochage des particules contenues dans la résine et détériore le refroidissement de la turbomachine. Même dans le cas où elles ne fondent pas, les billes aluminosilicates ramollissent suffisamment pour reformer, après abrasion, des agrégats susceptibles de boucher les canaux de refroidissement de la 10 turbomachine. En outre, comme matériau abradable, on connaît également un second matériau composé d'un alliage d'aluminium et d'un agent structurant organique de type polyester obtenu par projection thermique. L'utilisation de ce matériau va être limitée dans le futur en raison de 15 l'augmentation des températures et de la pression dans le compresseur haute pression et les chambres de combustions. En effet, l'aluminium qui le compose est sensible aux phénomènes d'auto inflammation et donc de déflagration. L'invention vise au moins à remédier en partie à ces inconvénients. 20 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 carbone non déflagrant. 25 Au sens du présent exposé, un matériau non déflagrant est un matériau qui ne présente pas d'inflammation spontanée en relation avec une granulométrie, une pression et une température. Plus particulièrement, au sens du présent exposé, un matériau non déflagrant est un matériau qui, quelle que soit sa forme et sa taille, ne présente pas 30 d'inflammation spontanée dans les conditions de température et de 3040446 3 pression rencontrées dans une turbomachine, par exemple des températures allant jusqu'à environ 1500°C et des pressions allant jusqu'à environ 30 bars. Dans le présent exposé, on appelle carbone un composé 5 comprenant exclusivement l'élément chimique C. Parmi les carbones usuellement utilisés dans l'industrie, le carbone non déflagrant peut être : du noir de carbone cristallin, noir de carbone amorphe, du noir de fourneau, du noir thermique, du noir tunnel, du noir de fumée, du noir d'acétylène, du carbone dur (carbone non 10 graphitisable). En revanche, le graphite naturel, utilisé plutôt à des fins de lubrifications, ne convient pas parce qu'il contient des traces d'huiles et peut brûler. De même, le noir de Ketjen n'est pas considéré comme du carbone non déflagrant ; il comprend en effet non seulement du carbone mais aussi du graphite et un liant. De même, la suie ne convient pas à la 15 présente invention. Le carbone présente plusieurs avantages. Il ne fond pas et ne s'accroche donc pas aux trous de ventilation, qui ne sont pas bouchés. En outre, le carbone est non déflagrant et ne crée pas d'explosion dans la turbomachine. Par ailleurs, le revêtement comportant une matrice 20 polymère et des charges en carbone non déflagrant est adapté aussi bien à l'utilisation en tant que matériau abradable, en regard des aubes mobiles, qu'à l'utilisation en tant que matériau de scellement, au pied des aubes de redresseur. L'architecture et la fabrication de la turbomachine sont donc simplifiées, puisqu'il est désormais possible de n'utiliser qu'un 25 seul type de revêtement. En outre, la matrice est en polymère. Ainsi, par opposition à d'autres matériaux, par exemple composés d'une partie métallique et d'une partie organique et sujets aux phénomènes de déflagration et d'auto-inflammation qui peuvent endommager la turbomachine, la 30 présente pièce thermomécanique convient pour des turbomachines dans 3040446 4 lesquelles la température et/ou la pression sont accrues en vue de l'amélioration des performances. Dans certains modes de réalisation, le carbone ne s'enflamme pas en tube de Hartmann. Le tube de Hartmann est un moyen de test 5 d'explosivité connu de l'homme du métier. Dans certains modes de réalisation, le carbone possède une température d'auto-inflammation supérieure à 1900°C. Cette température s'entend à pression atmosphérique, dans un milieu très riche en oxygène, par exemple comprenant du dioxygène en proportions importantes (par 10 exemple supérieur à 25% molaires) et du diazote. Le carbone seul ne brûle pas, il rougit sous l'effet de la température et peut se décomposer en particules plus fines. Ainsi, la température de transformation du carbone est bien supérieure aux températures rencontrées dans les compresseurs de turbomachine, de l'ordre de 450°C à 500°C, et aux 15 températures rencontrées dans la chambre de combustion, de l'ordre de 1300°C à 1500°C. Cela garantit que les débris de carbone ne subiront pas de transformations physico-chimiques qui pourraient endommager la turbomachine. Dans certains modes de réalisation, les charges sont sous forme de 20 particules rondes, de particules aciculaires, de fibres, de mat, de tissu ou de mousse. 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 taux massique de charges 25 dans la matrice est compris entre 5% et 90%, et peut valoir de préférence 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 30 pour une utilisation de la pièce thermomécanique comme matériau de 3040446 5 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, la matrice polymère comprend principalement au moins un polysiloxane. On comprend que ledit au moins 5 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% de la matrice, plus préférentiellement au moins 95% de la 10 matrice. Le polysiloxane peut être une résine de silicone. 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 15 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, 20 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. 25 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 30 description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention 3040446 6 donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1, déjà décrite, est une vue en section partielle d'une turbomachine de l'état de la technique, comprenant des revêtements 5 abradables et matériaux de scellement ; - la figure 2 est une vue en section partielle d'une turbomachine comprenant des pièces thermomécaniques selon un mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION 10 La figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1 déjà décrite. Les éléments correspondant ou identiques à ceux de l'état de la technique recevront le même signe de référence, au chiffre des centaines près, et ne seront pas décrits à nouveau. La turbomachine 50 représentée sur la figure 2 comprend une 15 pluralité de pièces thermomécaniques 10, utilisées indifféremment comme matériau abradable ou comme matériau de scellement. Les pièces thermomécaniques 10 sont, dans cet exemple, annulaires. Comme indiqué précédemment, les pièces thermomécaniques 10 comprennent au moins un revêtement comportant une matrice polymère 20 et des charges en carbone non déflagrant. Dans ce mode de réalisation, la matrice polymère comprend principalement au moins un polysiloxane, plus particulièrement ici une résine de silicone, de préférence une résine de silicone bi-composante réticulant en masse à température ambiante et en température. 25 Par ailleurs, les charges sont ici sous forme de fibres de carbone et plus particulièrement de fibres courtes, c'est-à-dire de plus grande dimension comprise environ entre 5 mm et 10 mm. Dans ce mode de réalisation, le taux massique de charges dans la matrice vaut environ 70%. Comme indiqué précédemment, un taux massique de charges 3040446 7 d'environ 50% ou plus est favorable à l'utilisation de la pièce thermomécanique comme matériau abradable. Plus le taux massique de charges en carbone non déflagrant est élevé, moins la matière abradée circulant dans la turbomachine sera 5 susceptible de subir une auto-inflammation. 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 10 matériau de scellement, l'utilisation de charges sous forme de fibres, particulièrement de fibres longues, améliore la tenue mécanique du revêtement. Après l'abrasion des pièces thermomécaniques 10 par les aubes mobiles 50 ou dans une moindre mesure par les léchettes 62, la matière 15 retirée par abrasion (matrice et charges) est évacuée sous forme de poussière. Plus précisément, la matière retirée par les aubes de soufflante 52 est évacuée dans la veine 54. La matière retirée par les aubes de compresseur 58 est évacuée vers la chambre de combustion. La matière retirée par les léchettes 62 est évacuée par le flux d'air et dirigée vers les 20 enceintes de contre pression. En outre, comme les charges sont en carbone non déflagrant, cette poussière ne ramollit pas, ne s'accroche pas aux parois de la turbomachine, ne s'enflamme pas et ne crée pas d'agrégats susceptibles de boucher les canaux de ventilation de la turbomachine. 25 Un test d'auto-inflammation du carbone en tube de Hartmann va maintenant être décrit. Dans un tube de Hartmann, on fait jaillir une étincelle électrique entre deux électrodes au sein d'un nuage de poussières de carbone soulevées par un jet d'air et on note s'il se produit ou non une inflammation. Dans l'appareil utilisé, l'énergie maximale 30 utilisable pour l'étincelle est de 1200 mégajoule (MJ). 3040446 8 On mesure l'énergie minimale d'inflammation (EMI) du carbone, ici sous forme de poussière. L'EMI d'une poussière est définie par la norme internationale CEI 1241-2-3 comme étant comprise entre la plus forte énergie El à laquelle l'inflammation ne se produit pas lors d'au moins 20 5 essais successifs pour tenter d'enflammer un mélange poussière/air et la plus faible énergie E2 à laquelle l'inflammation se produit au cours de 20 essais successifs. L'énergie est, dans le cas présent, apportée par une étincelle électrique. En l'espèce, on constante qu'au cours de 20 essais successifs avec 10 une étincelle de 1200 MJ, le carbone ne s'enflamme pas. Par conséquent, le carbone possède une énergie minimale d'inflammation (EMI) strictement supérieure à 1200 mégajoule (MJ). Un procédé de revêtement d'une pièce thermomécanique annulaire pour turbomachine va maintenant être décrit. Un tel procédé peut 15 comprendre les étapes suivantes : - fournir une matrice en polymère ; - charger la matrice avec des charges en carbone non déflagrant ; - appliquer la matrice chargée sur la pièce. L'étape d'application résulte en ce que la pièce comprend au moins 20 un revêtement comportant une matrice polymère et des charges en carbone non déflagrant. Il est préférable que le procédé de revêtement soit mis en oeuvre sous une atmosphère protégée, de façon à ne pas contaminer le carbone non déflagrant utilisé pour charger la matrice. 25 L'étape de chargement de la matrice avec lesdites charges 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 chargée. Le cas échéant, cette 3040446 9 extraction de bulles est de préférence prévue après le mélange par un mélangeur. L'étape de chargement de la matrice avec des charges en carbone non déflagrant peut être effectuée manuellement, par injection, par le 5 procédé connu par l'homme du métier sous le nom de «Resin Transfer 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 carbone non 10 déflagrant (notamment des fibres ou un tissu), laquelle préforme doit ensuite être rapportée sur la pièce, par exemple par collage. Le mode de réalisation décrit en référence à la figure 2 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 15 lequel est appliqué le revêtement. Le mode de réalisation décrit en référence à la figure 2 est tel que le même revêtement est utilisé comme matériau abradable et comme matériau de scellement. Cependant, selon les différentes utilisations, il est possible de prévoir des revêtements différents, par exemple des 20 revêtements présentant des taux massiques de charge et/ou des formes de charges différents. 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 25 telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés 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 (10) annulaire pour turbomachine (50), comprenant au moins un revêtement comportant une matrice polymère et 5 des charges en carbone non déflagrant. 2. Pièce thermomécanique (10) selon la revendication 1, dans laquelle le carbone possède une température d'auto-inflammation supérieure à 1900°C. 10 3. Pièce thermomécanique (10) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les charges sont sous forme de particules rondes, de particules aciculaires, de fibres, de mat, de tissu ou de mousse. 15 4. Pièce thermomécanique (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les charges sont en noir de carbone. 5. Pièce thermomécanique (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la matrice polymère comprend 20 principalement un polysiloxane. 6. Etage de turbomachine (56) comprenant un carter et un rotor configuré pour tourner à l'intérieur du carter, l'étage comprenant en outre une pièce thermomécanique (10) selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 5, placée sur le carter et radialement située entre le rotor et le carter. 7. Turbomachine (50) comprenant une pièce thermomécanique (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou un étage de 30 turbomachine (56) selon la revendication 6.