Anneaux de turbine abradable et turbines ainsi obtenues

Abstract

 La présente invention concerne des anneaux abradables pour turbines caractérisés en ce qu'ils sont constitués d'un natériau réfractaire abradable et sont formés par au moins to anneau ouvert (2) maintenu serré contre une structure fixe métallique (1) à l'aide d'au moins un ressort (4). les matériaux réfractaires utilisables pour la réalisation desdits arreaux sont obtenus par destruction du carbone dans un composé formé par le dépôt en phase gazeuse d'un matériau réfactaire au sein d'une structure fibreuse de carbone.

Description

[0001] La présente invention concerne des anneaux de turbine abradables, leur procédé de préparation et les turbines obtenues.

[0002] Le rôle d'un anneau de turbine est d'assurer, au droit de la turbine, la frontière de la veine gazeuse en limitant au mieux le passage direct des gaz. Le rendement de la turbine est donc lié aux caractéristiques de cet anneau dont dépend le jeu en bout d'aubes. Pour pouvoir minimiser ce jeu autant que possible, l'anneau doit avoir deux propriétés :

- être constitué d'un matériau abradable,

- être réglable de façon à pouvoir prévoir une correction active du diamètre de l'anneau en fonction de la configuration instantanée du moteur.

[0003] Le but de la présente invention est de proposer une solution acceptable à ce problème ; cette solution implique l'emploi d'un matériau spécifique et une structure particulière de l'anneau.

[0004] La structure particulière de l'anneau abradable selon l'invention, ledit anneau étant monté à l'intérieur de la structure métallique de la turbine, est caractérisée en ce qu'elle est constituée d'au moins un "anneau ouvert" serré contre ladite structure métallique par au moins un ressort.

[0005] Par "anneau ouvert", on entend soit un anneau faisant la quasi totalité du pourtour intérieur de la structure métallique mais comportant une coupure entre les faces de laquelle on insère un ressort soit des portions d'anneaux entre les faces desquelles on insère un ressort.

[0006] Il est clair que les faces en regard obtenues par le ou les coupures de l'anneau ouvert peuvent avoir la forme de chicanes de façon à améliorer l'étanchéité au niveau de ces coupures.

[0007] Le ressort mentionné peut être tout moyen (ressort opérant en traction, ressort opérant en compression, vérin), permettant par l'application d'une force convenable au niveau de la (ou des) coupure d'appliquer 1"'anneau ouvert" contre la structure métallique de la turbine ou contre une structure elle-même métallique ou isolante (céramique) que l'on pourra adapter a ladite structure métallique de la turbine.

[0008] Le matériau spécifique utilisé est un matériau abradable, obtenu par dépôt en phase gazeuse d'un matériau réfractaire tel que le carbure de silicium et l'alumine, au sein d'une structure fibreuse de carbone puis élimination de ladite structure fibreuse de carbone.

[0009] Le matériau préféré est constitué de carbure de silicium, présente une porosité de 15 à 20 % et est formé de petits tubes creux ayant tous une même direction sensiblement celle du rayon de 1 '"anneau ouvert".

[0010] La structure fibreuse de carbone dans laquelle s'effectuera le dépôt du matériau réfractaire pourra être une structure désordonnée (feutre) ou une structure plus ou moins ordonnée dans laquelle une plus ou moins grande proportion des fibres sera orientée dans au moins une direction préférentielle. Cette orientation pourra être par exemple unidirectionnelle et être obtenue par peignage ou moyens équivalents. La structure fibreuse pourra être plus ou moins densifiée par dépôt, comme connu, sur ou entre les fibres de carbone. Grâce à cette possibilité d'orientation des fibres de carbone, et grâce à la possibilité de densification de la structure en fibres de carbone, le procédé selon l'invention permet d'obtenir toute une série de matériaux nouveaux dont on peut contrôler les propriétés afin de les adapter aux utilisations prévues.

[0011] Il faut signaler que le dépôt, en phase gazeuse, du matériau réfractaire dans la structure à base de fibres de carbone peut être avantageusement réalisé alors que ladite structure a été mise en forme de façon à obtenir directement un produit dans sa forme définitive, c'est-à-dire prêt à être assemblé ou utilisé.

[0012] L'élimination du carbone contenu dans le matériau complexe obtenu (carbone se trouvant sous forme de fibres et éventuellement de carbone de densification) s'effectue par tout moyen connu notam- me-t par oxydation. Ceci implique que le matériau réfractaire déposé résiste bien au moyen utilisé pour éliminer le carbone.

[0013] On obtient ainsi des produits dont la caractéristique essentielle est qu'ils se présentent sous la forme d'un assemblage de petits tubes en matière réfractaire.

[0014] Lorsque ces petits tubes sont orientés, il est possible que les surfaces des pièces présentent, par rapport auxdits petits tubes, des orientations spécifiques par exemple les surfaces de frottement seront perpendiculaires à l'axe des tubes, dans ce dernier cas l'usure du matériau s'effectuera par la rupture, en flexion, des parois minces des tubes en matériau réfractaire.

[0015] On a réalisé un tel matériau en utilisant, selon un exemple non limitatif, une structure formée de fibres de carbone orientées ; cette structure aura par exemple un poids d'environ 330 g/m², un taux de fibres d'environ 9 %, et un diamètre de fibres de 7 à 10 micromètres.

[0016] On déposera dans ce matériau, selon la technique de dépôt en phase vapeur, du carbure de silicium et on éliminera par tout moyen connu, par exemple par dissolution, les fibres de carbone contenues dans le matériau obtenu.

[0017] Un tel matériau possède les qualités suivantes :

- résistance à la corrosion par les produits de combustion à haute température (1 300°C) afin de limiter le débit d'air de refroidissement,

- résistance aux cyclages thermiques,

- résistance aux chocs thermiques,

- résistance à l'érosion (mais abradable quand même) due à l'impact de fines particules,

- fabrication reproductible,

- usinage et rectifiable en place,

- encombrement et poids minimum.

[0018] Et il a été trouvé selon l'invention que ledit matériau était particulièrement désigné pour réaliser des anneaux de turbine en utilisant la structure particulière de l'anneau telle que définie ci-dessus, les petits tubes creux en carbone de silicium étant orientés de façon sensiblement perpendiculaire à la surface abradable.

[0019] Les exemples non limitatifs ci-après illustrent des modes de réalisation de la structure particulière de l'anneau selon l'invention ; ces exemples se réfèrent aux figures 1 et 2.

[0020] La figure 1 est une représentation schématique en coupe perpendiculaire à son axe d'un anneau de turbine en matériau abradable monté, selon l'invention, dans un anneau métallique.

[0021] La figure 2 représente, en coupe axiale, un montage de l'anneau abradable sur l'anneau métallique avec interposition partielle (figure 2a) ou totale (figure 2b) d'un isolant métallique.

[0022] Sur la figure 1, on a représenté en 1 l'anneau métallique fermé qui constitue la structure de la turbine et en 2 l'anneau en matériau abradable selon l'invention. Cet anneau en matériau abradable est ouvert 3 ; les deux faces de cette ouverture sont comprimées par un ressort 4 travaillant en compression, ledit ressort étant choisi de façon à exercer sur lesdites faces un effort suffisant pour appliquer en permanence l'anneau en matériau abradable sur l'anneau métallique.

[0023] Le ressort 4 peut être constitué d'un vérin à air ou d'un vérin hydraulique ou, de préférence, d'un ressort à lames, soit métalliques, soit céramiques, soit mixtes.

[0024] L'étanchéité au niveau de la coupure 3 de l'anneau abradable sera réalisée sans difficultés majeures par mise en oeuvre de moyens connus.

[0025] Sur les figures 2a et 2b , on a représenté :

- en 1 l'anneau métallique fermé qui constitue la structure de la turbine,

- en 2, l'anneau abradable ; cet anneau est, comme représenté sur la figure 1, ouvert et comprimé par au moins un ressort,

- en 5, un isolant céramique qui peut être soit situé uniquement au droit des extrémités de l'anneau métallique 1 comme dans la figure 2a, soit s'étendre sur la totalité de la surface ouverte de cet anneau métallique comme dans la figure 2b ; dans ce dernier cas cette couche isolante peut contribuer à l'étanchéité radiale du système.

Revendications

1. Anneaux abradables pour turbines caractérisés en ce qu'ils sont constitués d'un matériau réfractaire abradable et sont formés par au moins un anneau ouvert maintenu serré contre une structure fixe métallique à l'aide d'au moins un ressort.

2. Anneaux selon la revendication 1, caractérisés en ce que entre ladite structure fixe métallique et l'anneau on intercale un isolant céramique.

3. Anneaux selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisés en ce que le matériau réfractaire abradable utilisé est le matériau obtenu par destruction du carbone dans un composé formé par le dépôt en phase gazeuse d'un matériau réfractaire au sein d'une structure fibreuse de carbone.

4. Anneaux selon la revendication 3, caractérisés en ce que ladite structure fibreuse a été orientée de façon unidirectionnelle, la direction desdites fibres étant perpendiculaire à la surface abradable de l'anneau.

Dessins