Brevet FR3083567A1 — publié le 20200110

La présente invention concerne une turbine à gaz renforcée pour moteur de véhicule présentant une bonne résistance aux impacts avec les fragments ou objets détachés sans augmentation pénalisante de la masse de la structure. Arrière-plan de l'invention Les turbines à gaz comprennent un aubage rotatif présent à l'intérieur d'un carter. Ces turbines peuvent être positionnées après la chambre de combustion et être soumise à de hautes températures ainsi qu'à l'impact avec des particules portées par le flux de gaz. En fonctionnement, il se peut que les aubes rotatives soient endommagées ou se détachent. Ces aubes détachées ou fragments d'aubes sont alors projetés à une vitesse élevée vers le carter lequel doit assurer la rétention de ces débris tout en conservant son intégrité. Il est souhaitable que le carter assure cette rétention sans devoir trop alourdir sa structure, afin de ne pas pénaliser les performances du véhicule. Objet et résumé de l'invention L'invention vise, selon un premier aspect, une turbine à gaz renforcée pour moteur de véhicule comprenant un aubage rotatif présent à l'intérieur d'un carter, le carter ayant une surface interne située du côté de l'aubage et une surface externe opposée à la surface interne, la turbine étant caractérisée en ce que la surface externe du carter est revêtue par un premier revêtement d'isolation thermique, et par un deuxième revêtement situé autour du premier revêtement et comprenant un renfort fibreux comprenant des fibres d'aramide densifié par une matrice élastomérique. Les fibres d'aramide du deuxième revêtement permettent, du fait de leur haute rigidité, de renforcer le carter afin qu'il présente une bonne résistance aux impacts avec les débris en fonctionnement. L'emploi d'une matrice élastomérique dans le deuxième revêtement permet d'absorber l'énergie des chocs, ce qui participe aussi à améliorer la capacité de rétention du carter. Le carter est toutefois porté, en 2 fonctionnement, à une température élevée et, afin de ne pas dégrader les propriétés mécaniques des fibres d'aramide du fait d'une exposition à une trop haute température, un premier revêtement est interposé entre la surface externe du carter et le deuxième revêtement. Ce premier 5 revêtement permet de protéger les fibres d'aramide des hautes températures en isolant thermiquement les fibres d'aramide de la surface externe du carter. L'invention propose ainsi une turbine à gaz renforcée par une structure de renfort en matériau composite ayant une bonne capacité de rétention des objets tout en conservant une structure 10 relativement légère par rapport à l'emploi d'un renfort en métal. Dans un exemple de réalisation, le premier revêtement est configuré pour que la température du deuxième revêtement soit inférieure ou égale à 300°C lorsque le carter est à une température de 1000°C. Le fait que le premier revêtement permette de fortement 15 abaisser la température effectivement imposée aux fibres d'aramide par rapport à la température du carter participe avantageusement à optimiser les propriétés mécaniques des fibres d'aramide, et donc la capacité de rétention. Dans un exemple de réalisation, le premier revêtement 20 comprend une pluralité de secteurs en matériau d'isolation thermique maintenus en place par le deuxième revêtement. La réalisation du premier revêtement de manière sectorisée permet avantageusement de réaliser ce revêtement de manière plus simple. Dans ce cas, le deuxième revêtement présente une fonction 25 supplémentaire de maintien des différents secteurs formant le premier revêtement. Dans un exemple de réalisation, la matrice élastomérique est en un matériau isolant thermique. Une telle caractéristique participe avantageusement à optimiser 30 les propriétés mécaniques des fibres d'aramide, et donc la capacité de rétention. Dans un exemple de réalisation, le carter peut être en superalliage. Dans un exemple de réalisation, la turbine à gaz est destinée à 35 être intégrée à un moteur d'automobile, en particulier à un moteur 3 d'automobile de formule 1. En variante, la turbine à gaz est destinée à être intégrée à un moteur d'aéronef, par exemple à un moteur d'avion. La présente invention vise également une automobile ou un aéronef comprenant une turbine à gaz renforcée telle que décrite plus 5 haut. La présente invention vise également un procédé de fabrication d'une turbine à gaz renforcée telle que décrite plus haut, comprenant au moins : - la formation du premier revêtement sur la surface externe 10 du carter, - le positionnement du renfort fibreux autour du premier revêtement, et - l'introduction de la matrice élastomérique dans le renfort fibreux, cette introduction étant réalisée une fois le renfort 15 fibreux positionné autour du premier revêtement ou avant ce positionnement. Le renfort fibreux peut être positionné sur le premier revêtement à l'état sec et auquel cas la matrice élastomérique est apportée après ce positionnement. En variante, on peut positionner le 20 renfort fibreux déjà imprégné par la matrice élastomérique sur le premier revêtement. Dans ce dernier cas, la matrice élastomérique a été introduite dans le renfort fibreux avant son positionnement sur le premier revêtement. Dans un exemple de réalisation, plusieurs secteurs du premier 25 revêtement sont déposés sur la surface externe du carter, et le renfort fibreux positionné maintient ces secteurs. Une telle caractéristique permet avantageusement de simplifier la fabrication et la structure de la turbine. Dans un exemple de réalisation, la matrice élastomérique est 30 introduite par projection dans le renfort fibreux. L'apport de la matrice par projection est avantageux afin de réaliser, à un coût réduit, la densification d'une structure de forme complexe. 35 4 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : 5 la figure 1 illustre, de manière schématique, la position de la turbine à gaz dans un moteur d'automobile ou d'aéronef, - la figure 2 illustre, de manière schématique et partielle, une vue en coupe d'un exemple de turbine à gaz renforcée selon l'invention, 10 la figure 3 illustre, de manière schématique, le carter revêtu de la turbine à gaz de la figure 2, et - les figures 4A à 4C illustrent de manière schématique les différentes étapes de revêtement du carter. 15 Description détaillée de modes de réalisation On a représenté à la figure 1 différents éléments d'un moteur d'automobile ou d'aéronef dans lequel une turbine à gaz 10 selon l'invention peut être intégrée. Le moteur peut, en particulier, être un moteur d'automobile de formule 1. 20 Comme représenté sur la figure 1, la turbine 10 est située en aval d'une chambre de combustion 20 dans laquelle il y a combustion d'un mélange air-carburant. Les gaz générés lors de cette combustion sont dirigés vers les aubes rotatives de la turbine 10. Cet écoulement de gaz permet de faire tourner les aubes de la turbine 10. On récupère ainsi une 25 partie de l'énergie cinétique de l'écoulement de gaz. Cette énergie est convertie en énergie mécanique et la turbine 10 peut par exemple entraîner un compresseur C en amont afin de mettre en rotation de ce dernier. Après traversée de la turbine 10, les gaz sont évacués vers le milieu extérieur M. 30 Différents détails relatifs aux éléments constitutifs de la turbine 10 vont à présent être décrits. L'aubage rotatif A de la turbine à gaz 10 est entouré par un carter 22. Le carter 22 définit une veine interne d'écoulement des gaz 35 provenant de la chambre de combustion 20. Le carter 22 peut être en matériau métallique, par exemple en superalliage. A titre d'exemple de 5 matériau métallique utilisable, on peut par exemple citer l'Inconel. En fonctionnement, le carter 22 peut être porté à une température supérieure ou égale à 900°C, par exemple supérieure ou égale à 950°C, par exemple d'environ 1000°C. 5 Le carter 22 présente une surface interne 23 située du côté des aubes rotatives A, et une surface externe 24 située du côté opposé à la surface interne 23 (voir figure 2). La surface externe 24 du carter 22 est revêtue par les premier 26 et deuxième 28 revêtements. Les premier 26 et deuxième 28 revêtements sont présents à l'extérieur de la veine 10 d'écoulement des gaz. Les épaisseurs des premier 26 et deuxième 28 revêtements ont été volontairement augmentées sur les figures 2 et 3 dans un souci de lisibilité. Comme évoqué plus haut, la présence des premier 26 et deuxième 28 revêtements permet avantageusement de conférer au carter 22 une haute capacité de rétention des objets tout en 15 conservant une structure relativement légère. Le premier revêtement 26 présente une fonction d'isolation thermique qui permet d'abaisser la température effectivement vue par le deuxième revêtement 28 par rapport à celle du carter 22. En particulier, le 20 premier revêtement 26 peut être configuré pour que la température du deuxième revêtement 28 soit inférieure ou égale à 300°C lorsque le carter 22 est à une température de 1000°C. Plus particulièrement lorsque le carter 22 est à une température de 1000°C, le premier revêtement 26 peut être tel que la température du deuxième revêtement 28 soit 25 inférieure ou égale à 275°C, voire à inférieure ou égale à 250°C. L'homme du métier sait, de par ses connaissances générales, choisir la conductivité thermique du matériau du premier revêtement 26 et l'épaisseur de ce revêtement 26 afin d'obtenir l'abaissement de température souhaité au niveau du deuxième revêtement 28. 30 A titre illustratif, le premier revêtement 26 peut avoir une épaisseur e26 inférieure ou égale à 10 mm, par exemple 8 mm. L'épaisseur e26 du premier revêtement 26 peut être supérieure ou égale à 1 mm, par exemple à 5 mm. L'épaisseur e26 du premier revêtement 26 peut être comprise entre 1 mm et 10 mm, par exemple entre 5 mm et 10 mm. 35 Toujours à titre illustratif, le premier revêtement 26 peut présenter une 6 conductivité thermique, mesurée à une température comprise entre 200°C et 800°C, inférieure ou égale à 0,05 W.rn-1.1C1. A titre d'exemple de matériau utilisable pour le premier revêtement 26, on peut citer la gamme de matériau microporeux 5 commercialisé par la société Promat, par exemple le Promalight ou le Promasil. Le premier revêtement 26 peut être présent au contact du carter 22. Le premier revêtement 26 peut être microporeux. Le premier revêtement 26 peut, comme illustré sur la figure 3, se présenter sous une 10 forme sectorisée comprenant plusieurs secteurs 26a entourant la circonférence du carter 22. Chaque secteur 26a s'étend autour du carter 22 sur une portion angulaire déterminée. Cette portion angulaire peut par exemple être comprise entre 90° et 180°, et par exemple être d'environ 120° comme illustré sur la figure 3. Les secteurs 26a peuvent être sous la 15 forme de plaques. On ne sort toutefois pas du cadre de 'Invention si le premier revêtement se présente sous la forme d'une couche continue. Comme indiqué plus haut, le deuxième revêtement 28 est protégé des hautes températures par le premier revêtement 26 afin de 20 conserver ses propriétés mécaniques. Le deuxième revêtement 28 est un matériau composite comprenant un renfort fibreux 28a en fibres d'aramide densifié par une matrice résine élastomérique 28b. A titre illustratif, le deuxième revêtement 28 peut avoir une épaisseur e28 inférieure ou égale à 10 mm. L'épaisseur e28 du deuxième revêtement 28 peut être supérieure 25 ou égale à 5 mm. L'épaisseur e28 du deuxième revêtement 28 peut être comprise entre 5 mm et 10 mm. Le deuxième revêtement 28 peut être au contact du premier revêtement 26. Le renfort fibreux 28a du deuxième revêtement 28 peut être tissé. Le renfort fibreux 28a peut être formé de fibres de poly (p- 30 phénylènetéréphtalamide), aussi connues sous le nom de fibres de Kevlar®. Le renfort fibreux 28a peut être sous la forme d'une bande de tissu qui a été enroulée autour du premier revêtement 26. On pourrait en variante former le renfort fibreux 28a par drapage d'une pluralité de strates de tissu sur le premier revêtement 26. Quril soit enroulé ou drapé, 35 le renfort fibreux 28a peut définir un empilement de plusieurs couches tissées de fibres d'aramide sur le premier revêtement 26. 7 La matrice élastomérique 28b densifie le renfort fibreux 28a en comblant sa porosité et en étant présente autour de ce dernier. La matrice 28b permet d'absorber l'énergie des chocs comme indiqué plus haut mais aussi de maintenir le renfort fibreux 28a en position. La matrice 5 élastomérique 28b peut être un élastomère silicone ou être un élastomère éthylène-propylène-diène monomère (EPDM). Avantageusement et comme évoqué plus haut, la matrice élastomérique 28b peut avoir une fonction d'isolation thermique. Dans ce cas, la matrice élastomérique 28b peut présenter une conductivité 10 thermique, mesurée à 150°C, inférieure ou égale à 0,20 W.rn-1.K-1. A titre d'exemple de matériau de matrice élastomérique 28b utilisable, on peut citer les matériaux commercialisés sous les références « Norcoat 4000 », « Norcoat 5000 » ou « Prosial » par la société Aria neG rou p. 15 On vient de décrire différents détails relatifs aux éléments constitutifs de la turbine 10 à gaz renforcée. Des détails relatifs à la fabrication de cette turbine 10 renforcée vont maintenant être abordés en lien avec les figures 4A à 4C. Le premier revêtement 26 est tout d'abord déposé sur la 20 surface externe 24 du carter 22 (voir figure 4A). Comme indiqué plus haut, ce premier revêtement 26 peut être réalisé de manière sectorisée ou sous la forme d'une couche continue. Dans l'exemple des figures 4A à 4C, on considère le cas d'un premier revêtement 26 sectorisé. Dans le cas où le premier revêtement 26 est formé d'une pluralité de secteurs 26a, le 25 deuxième revêtement 28 permet de maintenir en position les différents secteurs 26a constitutifs du premier revêtement 26. Une fois le premier revêtement 26 déposé, le renfort fibreux 28a du deuxième revêtement 28 est déposé ou enroulé sur le premier revêtement 26 (voir figure 4B). On peut par exemple réaliser plusieurs 30 tours d'enroulement du renfort fibreux 28a sous forme de bande autour du premier revêtement 26 comme illustré sur la figure 4B. Lorsqu'il est déposé sur le premier revêtement 26, le renfort fibreux 28a peut être sec ou, en variante, pré-imprégné par la matrice élastomérique. 35 Dans le cas où le renfort fibreux 28a est déposé à l'état sec, la matrice est introduite dans le renfort fibreux 28a entourant le premier 8 revêtement 26. La matrice 28b peut ainsi être projetée sur le renfort fibreux ainsi positionné (voir figure 4C). Dans ce cas, la matrice est projetée sous la forme de gouttelettes liquides 29b par une buse de projection 29a approchée du renfort fibreux 28a. Cette variante est 5 avantageuse lorsque la pièce à densifier à une forme complexe. La matrice peut en variante être apportée par moulage par injection. L'expression « compris(e) REVENDICATIONS1. Turbine à gaz (10) renforcée pour moteur de véhicule comprenant un aubage rotatif (A) présent à l'intérieur d'un carter (22), le carter ayant une surface interne (23) située du côté de l'aubage et une surface externe (24) opposée à la surface interne, la turbine étant caractérisée en ce que la surface externe du carter est revêtue par un premier revêtement (26) interne d'isolation thermique, et par un deuxième revêtement (28) externe situé autour du premier revêtement et comprenant un renfort fibreux (28a) comprenant des fibres d'aramide densifié par une matrice élastomérique (28b). 2. Turbine à gaz (10) renforcée selon la revendication 1, dans laquelle le premier revêtement (26) est configure pour que la température du deuxième revêtement (28) soit inférieure ou égale à 300°C lorsque le carter (22) est à une température de 1000°C. 3. Turbine à gaz (10) renforcée selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le premier revêtement (26) comprend une pluralité de secteurs (26a) en matériau d'isolation thermique maintenus en place par le deuxième revêtement (28). 4. Turbine à gaz (10) renforcée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la matrice élastomérique (28b) est en un matériau isolant thermique. 5. Turbine à gaz (10) renforcée selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le carter est en superalliage. 6. Turbine à gaz (10) renforcée selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, la turbine à gaz étant destinée à être intégrée à un moteur d'automobile. 7. Turbine à gaz (10) renforcée selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, la turbine à gaz étant destinée à être intégrée à un moteur d'aéronef. 10 8. Automobile comprenant une turbine à gaz (10) renforcée selon la revendication 6. 5 9. Aéronef comprenant une turbine à gaz (10) renforcée selon la revendication 7. 10. Procédé de fabrication d'une turbine à gaz (10) renforcée selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant au moins : 10 la formation du premier revêtement (26) sur la surface externe (24) du carter (22), le positionnement du renfort fibreux (28a) autour du premier revêtement, et l'introduction de la matrice élastomérique (28b) dans le 15 renfort fibreux, cette introduction étant réalisée une fois le renfort fibreux positionné autour du premier revêtement ou avant ce positionnement. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel plusieurs 20 secteurs (26a) du premier revêtement (26) sont déposés sur la surface externe (24) du carter (22), et dans lequel le renfort fibreux (28a) positionné maintient ces secteurs. 12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, dans lequel la matrice 25 élastomérique (28b) est introduite par projection dans le renfort fibreux (28a).