FR2459879A1 - Joint etanche a l'air exterieur recouvert de matiere ceramique pour moteur a turbine a gaz - Google Patents
Joint etanche a l'air exterieur recouvert de matiere ceramique pour moteur a turbine a gaz Download PDFInfo
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Abstract
LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN JOINT REVETU DE MATIERE CERAMIQUE CONTRE L'AIR EXTERIEUR POUR MOTEUR A TURBINE A GAZ. CE JOINT EST COMPOSE PAR UN MATELAS 36 DE MATIERE METALLIQUE A FAIBLE MODULE D'ELASTICITE, POREUX QUI EST DISPOSE ENTRE UNE MATIERE CERAMIQUE 40 ET UN SUBSTRAT 32 DE MATIERE METALLIQUE SOLIDE. LA MATIERE CERAMIQUE EST APPLIQUEE AVEC UNE DENSITE PREFEREE A LAQUELLE LES PROPRIETES PHYSIQUES DE MODULE D'ELASTICITE, DE RESISTANCE MOYENNE A LA TRACTION, DE COEFFICIENT DE DILATATION THERMIQUE ET DE CONDUCTIVITE THERMIQUE COMMUNIQUENT UNE BONNE RESISTANCE AUX CHOCS THERMIQUES, UNE BONNE RESISTANCE A L'EROSION ET DES PROPRIETES D'ABRASION CONVENABLES.
Description
La présente invention concerne un joint étanche à l'air extérieur
recouvert de matière céramique pour moteur
à turbine à gaz.
On a accordé une attention significative à la construction de joints contre l'air extérieur pour moteur à turbine à gaz et on recherche continuellement de nouveaux modes de réalisation efficace de tels joints. Dans un moteur à turbine à gaz à écoulement axial, les rangées d'aubes de rotor à la fois dans les;parties compresseur et turbine du moteur s'étendent radialement vers l'extérieur de l'assemblage durotor transversalement par rapport au parcours des gaz. Un joint contre l'air extérieur qui est fixé à l'assemblage de stator entoure les sommets des aubes de chaque rangée d'aubes et empêche
la fuite des gaz par-dessus les sommets des aubes.
Chaque joint contre l'air extérieur de la turbine est habituellement formé d'un certain nombre de segments de joints disposés bout-à-bout autour du moteur. Les surfaces opposées au sommet des aubes de chaque segment sont
habituellement formées d'une matière abrasable pour per-
mettre d'obtenir une condition initiale de résistance mesurée sans interférence destructrice des sommets des aubes dans des modes transitoires. Des exemples de joints abrasables et procédés de fabrication sont décrits dans les brevets US numéro 3 817 719, 3 879 831, 3 918 925 et
3 936 656.
Malgré la disponibilité des matières décrites dans ces brevets, les fabricants des éléments des moteurs à turbine à gaz continuent de rechercher des constructions de matière abrasable encore améliorées ayant une durabilité convenable dans des milieux hostiles. En particulier, dans les sections de turbine des moteurs o les matières des joints sont exposées à des températures locales qui peuvent dépasser 1370OC, le choix des matières et des structures ayant une durabilité convenable est limité. Les
joints recouverts de matière céramique sont d'intérêt pri-
mordial pour ces éléments.
Les matières céramiques sont en général connues comme isolants thermiques efficaces dans les milieux des -2- moteurs à turbine à gaz et sont couramment utiliséescomme
matière de revêtement pour les substrats métalliques expo-
sés aux températures élevées. Aussi longtemps que la matiè-
re de revêtement reste intacte, de telles matières cérami- ques empêchent une détérioration inacceptable des formes métalliques auxquelles elles adhèrent. Cependant les matières métalliques et céramiques ne sont pas entièrement
compatibles parce qu'une grande différence dans les coeffi-
cients de dilatation thermique entre les deux types de matière rend une adhérence à long terme de la matière
céramique sur le métal très difficile.
Typiquement, les cycles thermiques ultérieurs auxquels est soumis l'élément fini dans le milieu envisagé ont pour effet de provoquer une fissuration eteErittement de la matière céramique sur le métal. De tels problèmes sont particulièrement sévères lorsque des épaisseurs de revêtement dépassant quelques millièmes de centimètres7? souhaitées.Une structure de joint recouverte de matière céramique adaptée aux différences de coefficient de dilatation thermique entre la matière de revêtement céramique et le substrat métallique sous-jacent est décrite
dans le brevet US numéro 4 109 031. Des couches à concen-
tration augmentant graduellement de matière o les quantités relatives de métal et de matière céramique varient depuis % de métal à l'interface métal jusqu'à 100% de matière céramique à l'interface céramique, sont appliquéesau
substrat métallique.
Un autre type de structure de joint revêtu de matière céramique est décrit dans la publication de 1976 intitulée "Bonding Ceramic Materials to Metallic Substrates for High-Temperature, Low-Weight Applications" délivrée au" 1976 Joint Fall Meeting of the Basic Science, Electronics and Nuclear Divisions of the American Ceramic Society" et dans une publication de la NASA "NASA Technical Memorandum,' NASA TM-73852 intitulée " Preliminary study
of Cyclic Thermal Shock Resistance of Plasma-Sprayed Zirco-
nium Oxide Turbine Outer Air Seal Shrouds". D'après les systèmes décrits, une épaisseur de fils frittés relie une couche de matière céramique à un substrat métallique
24^59879
-3- sous-jacent.Les fils forment une couche souple qui est
capable de s'adapter à la dilatation thermique différen-
tielle entre le substrat et la couche céramique Dans la première structure une matière céramique d'alumine
(A1203) est appliquée directement sur l'épaisseur de fils.
Dans la dernière structure une matière céramique d'oxyde de zirconium(ZrO2) est appliquée à une épaisseur de fils
par l'intermédiaire d'un revêtement liant de 0,076 -
0,127 mm.
Bien qu'il soit admis que les structures décrites ci-dessus sont hautement souhaitables pour obtenir une durée de vie convenable, ces structures doivent encore atteindre leur efficacité maximum, en particulier, pour les applications dans des milieux hostiles. Une recherche significative en ce qui concerne les propriétés mécaniques desmatières céramiques souhaitées continue pour trouver
des structures durables.
Il est un but principal de la présente invention de réaliser une structure de joint efficace contre l'air extérieur du type utilisé dans les moteurs à turbine à gaz. Ces structures doivent convenir pour être utilisées dans des milieux à température élevée et un but spécifique de 1 'invention est de réaliser un élément recouvert de matière céramique ayant une bonne résistance aux chocs thermiques.
Selon la présente invention une matière de revête-
ment céramique est déposée à une densité préférée sur
une épaisseur de faible module de matière métallique poreu-
se pour former un joint durable étanche à l'air extérieur.
A cette densité préférée, la matière céramique possède un module d'élasticité (E) et une résistance à la traction moyenne (T) qui ont pour effet que la structure
céramique a une bonne résistance aux chocs thermiques.
Selon au moins un mode de réalisation détaillé, l'épais-
seur poreuse a d'abord été imprégnée par un revêtement
du type MCrAlY pour améliorer la capacité de cette épais-
seur de permettre l'adhérence de la matière céramique de recouvrement. Une caractéristique principale de la structure de -4-
la présente invention est la matière de revêtement céramique.
La matière de revêtement s'oppose aux gaz de travail chauds se déplaçant dans le moteur pour obtenir une structure de joint ayant de grandes capacités à température élevée. Selon un mode de réalisation,1a matière céramique est de l'oxyde zirconium stabilisé par de l'oxyde d'yttrium qui est déposé avec une densité vraie-d'environ 92% de la densité théorique. A cette densité, la matière céramique possède approximativement les propriétés physiques données ci-dessous. Module d'élasticité (E) à 9820C 68 950 bars Résistance moyenne à la traction(T) à 9820C. 238 bars Coefficient de dilatation thermique (CIC) à 9820C 3,36 x 10-6(oC)-î Conductivité thermique (K) à 9820C: 726,43 J.m hr.m'UC. Dans au moins un mode de réalisation- la matière céramique adhère à une épaisseur métallique poreuse qui a d'abord été imprégnée par un revêtement de MCrAlY. Le revêtement de MCrAlY crée une surface rugueuse capable de fixer la matière céramique sur la structure de joint contre
l'air extérieur.
Un avantage principal de la présente invention est la compatibilité de la matière de revêtement céramique au milieu hostile à température élevée de moteurs à turbine à gaz. Des quantités minimes/de refroidissement sont nécessaires pour protéger.la structure de joint. Les performances générales du moteur sont augmentées lorsque l'utilisation de quantités réduites d'air de refroidissement sont nécessaires. La structure possède des propriétés améliorées en ce qui concerne son caractère abrasable pour permettre des interférences de frottement non destructives avec les sommets des aubes et elles conviennent parfaitement pour les constructions nécessitant un jeu très faible entre les sommets des aubes et les joints. Simultanément la structure des joints déposés avec la densité donnée possède une résistance convenable à l'érosion. Les différences de dilatation thermique relativesentre la matière céramique - 5 - et le substrat sous-jacent sont ajustéeSpar l'épaisseur de faible module. Une bonne adhérence de la matière céramique à cette épaisseur de faible module est obtenue en imprégnant cette épaisseur par une couche de MCrAlY
avant le dépôt du revêtement céramique sur cette épaisseur.
Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes o: La figure 1 est une vue en élévation de côté d'un moteur à turbine à gaz avec une partie éclatée révélant le joint contre l'air extérieur entourant les
sommets d'une rangée d'aubes de rotor dans le moteur.
la figure 2 est une vue en perspective d'un segment de joint étanche à l'air extérieur de la présente invention, la figure 3 est un graphique représentant les propriétés physiques d'une matière céramique appliquée avec une densité préférée, et la figure 4 compare la résistance au choc thermique d'une matière céramique appliquée avec des densités variables. La figure 1 représente un moteur à turbine à gaz du type o les principes de la présente invention sont applicables. Le moteur comprend principalement une section de compression 10, une section de combustion 12, une section de turbine 14. Un assemblage de rotor 16 s'étend axialement au travers du moteur. Les aubes 18 du rotor sont disposées en rangaset s'étendent vers l'extérieur de l'assemblage du rotor transversalement au parcours 20 des gaz de travail. Chaque aube de rotor
possède un sommet 22.
Un assemblage de stator 24 comprenant une enceinte 26 entoure l'assemblage de rotor 16. Un joint 28 contre l'air extérieur à chaque rangée d'aubes de rotor s'étend vers l'intérieur depuis 1 'enceinte du moteur pour entourer les sommets 22 des aubes. Chaque joint contre l'air extérieur est habituellement formé d'un certains nombres de segments arqués, représentés par le segment unique 30, qui sont disposés bout-à- bout autour de l'intérieur de
l'enceinte du moteur.
6- Un segment 30 de joint contre l'air extérieur fabriqué selon les principes de la présente invention est représenté dans la figure 2. Le segment comprend un substrat métallique solide 32 possédant une surface arquée 34 d'un contour général souhaité opposé au sommet des aubes. Une épaisseur métallique poreuse 36 d'une matière ayant un faible module d'élasticité, tel qu'un matelas de fils en treillis représenté, est soudée au substrat métallique. L'épaisseur de faible module est imprégnée par un revêtement intermédiaire 38. La matière de revêtement céramique 40 adhère à cette épaisseur revêtue. L'interface entre le revêtement intermédiaire métallique et la matière céramique est identifié par l'interface "A". Les propriétés de la matière céramique à cet interface sont d'importance critique pour éviter la propagation de fissures au travers de la matière
céramique et sont décrites ultérieurement dans la descrip-
tion. Le substrat métallique peut être refroidi par un moyen convenable connu dans la technique pour empêcher que les fils de cette épaisseur de faible module ne deviennent
excessivement chauds.
Dans une structure testée.est trouvée efficace, la matière céramique consistait nominalement en.: 80% d'oxyde de zirconium (ZrO2) et
% d'oxyde d'yttrium (Y203).
La matière est déposée au moyen d'un appareil de pulvérisation habituel en une épaisseur de 0,15 cm
et une densité vraie de 92% de la densité théorique.
La densité vraie est mesurée en termes de la dureté de la matière dans le but d'établir un standard de contrôle reproductible de la qualité. La densité de la matière souhaitée est mesurée par une dureté de 90 sur l'échelle Rockwell B employée couramment dans l'industrie. La densité peut être exprimée en termes physiques par 5,36 g/cm3 Des épaisseurs de matière céramique dans l'intervalle de
0,10 à 0,30 cm ont également été déposées avec succès.
Une matière ayant une dureté de 90 peut être obtenue par pulvérisation à l'arc plasma de la composition d'oxyde de zirconium stabilisée par l'oxyde d'yttrium au moyen -7- de l'appareil et sous les conditions décrites ci-dessous: Système de pulvérisation à l'arc plasma Dispositif de pulvérisation - Metco 3MG avec l'orifice pour la poudre de # 3 Puissance 600 ampères, 70 volts Gaz principal - azote en un débit de 2, 26 m3/hr et une pression de 3,44 bars Gaz secondaire - Hydrogène en un débit de 0,14 à 0,42 m3 et une pression de 3,44 bars nécessaire pour maintenir une
différence de potentiel de 70 volts entre les électrodes.
Dispositif d'alimentation de poudre Alimentation - Plasnladyne Model f 1224 avec dispositif de chauffage Débit de la poudre - 1,81 kg/hr Gaz pour la poudre - azote en un débit de 0,566
une pression de 3,44 bars.
Condition de la pulvérisation m3/hr et Distance du dispositif de pulvérisation - 15,24 cm
Déplacement de la tête - vitesse horizontale de 4,57 cm/sec.
avec l'étape verticale de 0,32 cm, chaque passe déposant
un revêtement d'environ 0,07 mm.
Gaz de refroidissement Gaz de refroidissement - de l'air avec une pression de
3,44 bars.
Les propriétés physiques de la dureté 90 sont données dansle graphique de la figure 3. Les propriétés à 9820C sont comme suit: Module d'élasticité (E): 68 950 bars Résistance moyenne à la traction (T): 237,87 bars Coefficient de dilatation thermique (dr): 3,36x 10-6(oC)-1 Conductivité thermique (K) 726,43 J. m hr.mz.OC. La conductivité thermique (K) est une propriété importante de la matière. Toutes les matières céramiques ont des conductivités thermiques relativement faibles
et par conséquent leur nécessité comme matière de revête-
ment est évidente. Les gradients de température au travers d'une matière céramique peuvent être maintenus
pour une protection des sous-structures métalliques aux-
queILs les matières céramiques sont appliquées. Il doit
être noté que dans le graphique de la figure 3 que cepen-
dant la conductivité thermique au travers de la matière céramique augmente fortement aux températures au-dessus de 10930C. Une conductivité thermique accrue nécessite un refroidissement accru des sous-structures métalliques pour empêcher une détérioration de celles-ci et est indésirable. Le maintien de la matière céramique à l'interface "A" au températures inférieures à 10930C est
fortement souhaitée.
La résistance à la traction (T), le module d'éla-
sticité (E) et le coefficient de dilatation thermique (C<) pour une matière de dureté (90) sont également indiqués dans le graphique de la figure 3. Ces trois facteurs en une large mesure déterminent la capacité
de la matière céramique de résister aux chocs thermiques.
Les contraintes thermiquement induites sont proportionnel-
les à la fois au module d'élasticité et au coefficient de dilatation thermique. Des contraintes thermiques plus faibles sont induites dans des matières à faible module et à faible coefficient de dilation thermique que dans les matières à module relativement élevé et coefficient relativement élevé soumis( à des gradients thermiques identiques. La capacité de la matière de résister aux contraintes induites thermiquement dépend de la résistance de la matière. Pour les matières céramiques dans des joints contre l'air extérieur, la rupture sous contrainte du fait des cycles thermiques est le mode de rupture habituel. Par conséquent, la
résistance à la traction est représentée dans le graphi-
que de la figure 3.
Ainsi qu'on peut le voir dans le graphique de la figure 3 des propriétés de l'oxyde de zirconium stabilisé par 20% d'oxyde d'yttrium, le module d'élasticité (E) diminue fortement lorsque la température augmente jusqu'à environ 9820C et diminue moins rapidement par
la suite. Similairement, la résistance à la traction -
(T) diminue seulement graduellement lorsque la température -9- augmente jusqu'à 10930C et ensuite plus rapidement par la
suite. Il est par conséquent évident que la matière céra-
mique ainsi décrite par ces propriétés physiques ci-dessus convient parfaitement pour les applications o la tempé- rature de l'interface "A" est limitée à un intervalle
de 9820C - 10930C.
Dans un but de comparaison, l'indicateur de résistan-
ce auxchocs thermiques (I) pour la même matière d'oxyde de zirconium stabilisé par de l'oxyde d'yttrium appliquée à des densités différentes est calculée et représentée dans le graphique de la figure 4. L'indicateur des chocs (I) est calculé comme étantle rapport théorique de contrainte maximum à la résistance (î/T) dans la matière céramique rencontrée pendant un cycle de fonctionnement du moteur. La valeur maximum typiquement se produit dans la condition transitoire par exemple pendant une condition d'accélération de 6 secondes. Un rapport contrainte à résistance supérieur à un indique une rupture de la matière céramique. Il est à noter que dans la figure 4 les rapports contrainte à résistance des matières de dureté 80 et 100 dépassent 1 sous le cycle du moteur proposé, alors que le rapport contrainte à résistance de la matière de dureté 90 reste inférieur
à 1.
Dans le présent mode de réalisation de la structure de l'air contre l'air extérieur, l'épaisseur poreuse est formée en fils d'alliage de fer ( FeCrAlSi) ayant un diamètre de 0,127 - 0,152 mm. Le matelas est comprimé jusqu'à atteindre une densité de fils de 35% et fritté pour établir au moins un joint métallurgique partiel entre les fils adjacents. Une épaisseur de 1,52 mm
est soudée au substrat selon les techniques habituelles.
Un revêtement intermédiaire de NiCrAlY consistant en, poids en: 14 - 20% de chrome, 11 - 13% d'aluminium, 0,10- 0,70% d'yttrium, 2 % au maximum de cobalt et le complément étant du nickel
- 10 -
a été utilisé. Uon épaisseur équivalente de revêtement c'est-à-dire une épaisseur de revêtement, si appliquée à une surfacePla%&1 environ 0,127 mm est déposée sur l'épaisseur de fils. D'autres matières de revêtement intermédiaire convenables sont l'alliage à base de nickel "NiCoCrAlY", l'alliage à base de cobalt "CoCrAlY",
et l'alliage à base de fer "FeCrAlY".
L'application convenable de la matière intermédiaire
est importante pour obtenir une bonne adhérence de la matiè-
re céramique au matelas de fils.La matière intermédiaire doit pénétrer dans le matelas de fi-s et adhérer fermement aixfils. Une technique d'application convenable est décrite
dans le brevet US numéro 38 042 déposé le 11 mai 1979.
Selon cette technique, les particules intermédiaire sont plastifiées dans un courant de plasma et sont accélérées dans ce courant pour atteindre des vitesses de l'ordre de 1219 m/sec. La vitesse élevée permet aux particules de pénétrer dans le matelas de fils poreux. Simultanément, la température de l'effluent dans ce procédé de pulvérisation à l'arc plasma est sensiblement inférieure à celle utilisée
dans les procédés de pulvérisation à l'arc plasma habituels.
Les températures relativement faibles utilisées empêchent un préchauffage excessif et une oxydation résultante des fibres ls. filsdans le matelas avant que des revêtements acceptables n'aient été déposés. Des températures de fils inférieures à 538 C sont généralement nécessaires pour
garantir que l'oxydation de fils ne se produise pas.
Les températures des fibres limitées dans un domaine -
de 4270C-482 C sont préférées. D'autres principes pour le dépôt peuvent être utilisées pour appliquer la matière
intermédiaire au matelas poreux.
En outre, on a trouvé que la matière céramique de dureté 90 décrite ici présente une résistance convenable à l'érosion au passage des gaz. Une matière de dureté présentat une plus grande tendance à s'éroder. Bien qu'
une matière de dureté 100 présentaitune résistance à l'éro-
sion meilleureque la matière de dureté 90, la matière de dureté 100 présentait des propriétés d'abrasabilité inadéquatt pour permettre un ajustement précis de la
- il -
structure joint/ aube pour la plupart des moteurs à turbine à gaz. La matière de dureté 90 constitue un bon compromis entre la résistance à l'érosion et sa propriété abrasable. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux joints qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs
sans sortir du cadre de l'invention.
- 12 -
Claims (6)
1. Joint abrasable étanche à l'air extérieur recouvert de matière céramique pour moteur à turbine à gaz du type entourant les sommets des aubes de rotor de la section de turbine caractérisé en ce qu'il comprend: un matelas poreux de matière de faible module d'élasticité à contour arqué et une matière de revêtement céramique qui adhère à ce matelas de faible module pour former une surface opposée aursommetsdes aubes o cette matière de revêtement céramique possède les propriétés physiques suivantes à 982 C: Module d'élasticité (E) à 982 C: 68 950 bars Résistance moyenne à la traction (T) à 982 C: 238; Coefficient de dilatation thermique (c) à 982 C: 3,36 x 10-6 (oC)-l et une conductivité thermique à 982 C de 726,43 hr.m c
2. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette matière de revêtement céramique estde l'oxyde de zirconium stabilisé par de l'oxyde d'yttrium consistant en80 en noids d'oxyde de zirconium (ZrO2) et en d'oxyde
en poids/d'yttrium (Y203).
3. Joint selon l'une quelconque des revendications
1 et 2, caractérisé en ce que cette matière est déposée avec une densité vraie d'environ 92% de la densité
théorique de cette matière.
4. Joint selon l'une quelconque des revendications
1 et 2, caractérisé en ce que cette matière de revêtement se caractérise par la dureté sur l'échelle Rockwell
d'environ 90.
5. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend,en outre un substrat métallique solide
auquel le matelas poreux adhère.
6. Joint selon l'une quelconque des revendications
1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprendlen outre un revêtement intermédiaire du type MCrAlY qui a été imprégné dansle matelas poreux pour obtenir une surface
rugueuse pour l'adhérence de la matière céramique.
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