EP0192512B1 - Anneaux de turbine abradable et turbines ainsi obtenues - Google Patents
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Classifications
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- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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Definitions
- the present invention relates to abradable turbine rings, their preparation process and the turbines obtained.
- the object of the present invention is to propose an acceptable solution to this problem; this solution involves the use of a specific material and a particular structure of the ring.
- the invention thus provides abradable rings for turbines made of a refractory material, comprising at least one open ring having an opening defined by two end faces of the open ring, this open ring being held tight against a fixed metal structure using an appropriate clamping means, characterized in that said rings are made of an abradable refractory material, and at least one spring means is disposed in said opening between said two faces of this opening, this spring means being chosen so as to exert on said face a sufficient force to permanently apply the ring of abradable material to said fixed metal structure.
- open ring is meant either a ring forming almost the entire inner periphery of the metal structure but comprising a cut between the faces of which a spring is inserted or portions of rings between the faces of which a spring is inserted.
- the facing faces obtained by the cut or cuts of the open ring can have the form of baffles so as to improve the seal at these cut.
- the spring mentioned may be any means (spring operating in tension, spring operating in compression, actuator), allowing the application of an "open ring” against the application of a suitable force at the level of the cut (s).
- the specific material used is an abradable material, obtained by gaseous deposition of a refractory material such as silicon carbide and alumina, within a carbon fibrous structure and then elimination of said carbon fibrous structure.
- the preferred material consists of silicon carbide, has a porosity of 15 to 20% and is formed of small hollow tubes all having the same direction substantially that of the radius of the "open ring”.
- the fibrous carbon structure in which the refractory material is deposited may be a disordered structure (felt) or a more or less ordered structure in which a greater or lesser proportion of the fibers will be oriented in at least one preferred direction. This orientation could for example be unidirectional and be obtained by combing or equivalent means.
- the fibrous structure may be more or less densified by deposition, as known, on or between the carbon fibers. Thanks to this possibility of orientation of the carbon fibers, and thanks to the possibility of densification of the carbon fiber structure, the method according to the invention makes it possible to obtain a whole series of new materials whose properties can be controlled in order to adapt them to the intended uses.
- the deposition, in the gas phase, of the refractory material in the structure based on carbon fibers can be advantageously carried out while said structure has been shaped so as to directly obtain a product in its final form, it that is, ready to be assembled or used.
- the carbon contained in the complex material obtained (carbon in the form of fibers and possibly densification carbon) is eliminated by any known means, in particular by oxidation. This implies that the deposited refractory material resists well the means used to remove the carbon.
- Products are thus obtained, the essential characteristic of which is that they are in the form of an assembly of small tubes of refractory material.
- Such a material has been produced using, according to a nonlimiting example, a structure formed from oriented carbon fibers, this structure will for example have a weight of approximately 330 g / m 2 , a fiber content of approximately 9%, and a fiber diameter of 7 to 10 micrometers.
- Silicon carbide will be deposited in this material, according to the vapor deposition technique, and the carbon fibers contained in the material obtained will be eliminated by any known means, for example by dissolution.
- said material is particularly designated for making turbine rings using the particular structure of the ring as defined above, the small hollow tubes of silicon carbon being oriented in a substantially perpendicular to the abradable surface.
- FIG. 1 there is shown in 1 the closed metal ring which constitutes the structure of the turbine and in 2 the ring of abradable material according to the invention.
- This ring of abradable material is open 3; the two faces of this opening are compressed by a spring 4 working in compression, said spring being chosen so as to exert on said faces a sufficient force to permanently apply the ring of abradable material on the metal ring.
- the spring 4 may consist of an air cylinder or a hydraulic cylinder or, preferably, of a leaf spring, either metallic, ceramic, or mixed.
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Description
- La présente invention concerne des anneaux de turbine abradables, leur procédé de préparation et les turbines obtenues.
- 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.
- On connaît déjà par le document US-A-4 398 866 un anneau de turbine ouvert comportant une coupure (30) réalisée en céramique composite. La présence de cette coupure permet de tenir compte de la dilatation résultant des variations de température importantes lors du fonctionnement de la turbine.
- Cependant, il n'est pas prévu de moyen permettant de prévoir une correction active du diamètre de l'anneau en fonction de la configuration instantanée.
- D'autres documents relatifs à des anneaux de turbine sont les suivants: US-A-4 307 993, US-A-2 139 293, GB-A-2 059 806, GB-A-2 139 293, ces anneaux pouvant être constitués en matériau réfractaire abradable.
- 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.
- L'invention fournit ainsi des anneaux abradables pour turbines constitués d'un matériau réfractaire, comprenant au moins un anneau ouvert comportant une ouverture définie par deux faces d'extrémités de l'anneau ouvert, cet anneau ouvert étant maintenu serré contre une structure métallique fixe à l'aide d'un moyen de serrage approprié, caractérisés en ce que lesdits anneaux sont constitués d'un matériau réfractaire abradable, et au moins un moyen ressort est disposé dans ladite ouverture entre lesdites deux faces de cette ouverture, ce moyen ressort étant choisi de façon à exercer sur ladite face un effort suffisant pour appliquer en permanence l'anneau en matériau abradable sur ladite structure fixe métallique.
- 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.
- 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.
- 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 l'"anneau ouvert" contre la structure métallique de la turbine ou contre uoe structure elle-même métallique ou isolante (céramique) que l'on pourra adapter à ladite structure métallique de la turbine.
- 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.
- 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 l'"anneau ouvert".
- 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.
- 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.
- 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 notamment par oxydation. Ceci implique que le matériau réfractaire déposé résiste bien au moyen utilisé pour éliminer le carbone.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- L'étanchéité au niveau de la coupure 3 de l'anneau abradable sera réalisée sans difficultés majeures par mise en oeuvre de moyens connus.
- 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.
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