FR2475113A1 - CERAMIC ROTOR FOR TURBINE - Google Patents

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES ROTORS CERAMIQUES POUR TURBINES A GAZ. ELLE SE RAPPORTE A UN ROTOR 10 AYANT UN MOYEU 12 DESTINE A ETRE MONTE SUR UN ARBRE 26. UNE ROUE CERAMIQUE 14 A UNE RANGEE INTERNE D'AUBES 16, UN BANDAGE MEDIAN 20, UNE RANGEE EXTERNE DE PALES 18 DE COMPRESSION ET UN BANDAGE EXTERNE 22. SELON L'INVENTION, UNE STRUCTURE COMPOSITE COMPRENANT DES FILAMENTS FORME UN ANNEAU 24 QUI MAINTIENT EN COMPRESSION LES ELEMENTS CERAMIQUES, MEME LORS DU FONCTIONNEMENT. APPLICATION AUX MOTEURS A TURBINE A GAZ.THE INVENTION CONCERNS CERAMIC ROTORS FOR GAS TURBINES. IT RELATES TO A ROTOR 10 HAVING A HUB 12 INTENDED TO BE MOUNTED ON A SHAFT 26. A CERAMIC WHEEL 14 HAS AN INTERNAL ROW OF BLADES 16, A MEDIAN BANDAGE 20, AN EXTERNAL ROW OF 18 COMPRESSION BLADES AND AN EXTERNAL BANDAGE 22. ACCORDING TO THE INVENTION, A COMPOSITE STRUCTURE INCLUDING FILAMENTS FORMS A RING 24 WHICH MAINTAINS THE CERAMIC ELEMENTS IN COMPRESSION EVEN DURING OPERATION. APPLICATION TO GAS TURBINE ENGINES.

Description

La présente invention concerne les céramiques ré-The present invention relates to ceramic ceramics

sistant aux températures élevées et ayant une grande ré-  at high temperatures and having a great deal

sistance mécanique et plus précisément des rotors céramiques  mechanical resistance and more specifically ceramic rotors

légers, résistants à température élevée et de grande résis-  light, resistant to high temperature and high resistance

tance mécanique, destinés à des turbines à gaz. Les rendements nominaux des ensembles moteurs sont devenus l'une des caractéristiques les plus importantes pour la mise au point des ensembles moteurs modernes. Des études  mechanical power, intended for gas turbines. Nominal efficiencies of motor assemblies have become one of the most important features in the development of modern motor assemblies. Studies

ont montré clairement que les rendements nominaux des tur-  have clearly shown that the nominal yields of tur-

bines à gaz pouvaient être fortement accrus lorsque les produits de combustion pouvaient frapper une roue de turbine  gas could be greatly increased when combustion products could strike a turbine wheel

à des températuresmaximales. Cependant, les gaz de combus-  at maximum temperatures. However, the combustion gases

tion nécessaires à l'obtention du rendement maximal dans les turbines à gaz ont une température de l'ordre de 13700C qui est bien supérieure aux limites fixées aux températures de fonctionnement des superalliages actuellement connus. On a déterminé que, si l'on devait utiliser les superalliages, non seulement on rencontrerait un problème de poids mais encore l'ensemble devrait comprendre des circuits complexes  The requirements for obtaining the maximum efficiency in gas turbines have a temperature of the order of 137 ° C. which is well above the limits set at the operating temperatures of the superalloys currently known. It was determined that if superalloys were to be used, not only would there be a weight problem, but the whole should also include complex circuits

de refroidissement. Ce refroidissement permettrait l'uti-  cooling. This cooling would allow the use

lisatior de ces superalliages; cependant, la température  lisatior of these superalloys; however, the temperature

plus faible réduirait le rendement global de l'ensemble.  lower would reduce the overall performance of the whole.

On s'est rendu compte qu'une solution plus com-  We realized that a more com-

mode en pratique de ce problème d'antagonisme entre la  mode in practice of this problem of antagonism between the

température et le rendement serait l'utilisation de cé-  temperature and yield would be the use of

ramiques capables de supporter des températures élevées.  which can withstand high temperatures.

Cependant, contrairement aux superalliages, les cérami-  However, unlike superalloys, ceramics

ques sont extrêmement fragiles et cette propriété a rendu jusqu'à présent leur utilisation presqu'impossible dans les cas d'application de contraintes élevées. Comme les matières céramiques n'ont que des résistances modérées à  These properties are extremely fragile and this property has hitherto rendered their use almost impossible in the case of the application of high stresses. Since ceramic materials have only moderate resistance to

la traction et sont très sensibles à tous les défauts lors-  traction and are very sensitive to any faults

qubn les utilise de cette manière, par exemple comme ailet-  used in this way, for example as a aiding-

tes d'un rotor d'une roue rotative de turbine, tout défaut de la structure provoque une destruction de l'ailette du rotor céramique ainsi qu'une destruction finale du rotor lui-même. Contrairement à cette faible résistance à la traction, la résistance à la compression des céramiques est  With a rotor of a rotating turbine wheel, any defect in the structure causes a destruction of the ceramic rotor blade and a final destruction of the rotor itself. In contrast to this low tensile strength, the compressive strength of ceramics is

de l'ordre de 10 fois la résistance présentée à la traction.  on the order of 10 times the resistance presented to the traction.

En conséquence, il semble souhaitable de maintenir les élé-  Consequently, it seems desirable to maintain the

menrs céramiques d'un rotor de turbine sous compression et non pas sous tension pendant le cycle d'utilisation de la turbine. L'invention concerne un rotor axial céramique  ceramic rims of a turbine rotor under compression and not under tension during the cycle of use of the turbine. The invention relates to a ceramic axial rotor

pour turbine à gaz qui comporte un moyeu métallique ou cé-  for a gas turbine which has a metal hub or

ramique fixé à une roue comprenant une rangée interne d'aubes de turbine de détente et une rangée externe de pales de compression d'air, séparées l'une de l'autre par un bandage intermédiaire. Les pales du compresseur d'air ont aussi un bandage externe. Un filament ayant une  rotor assembly attached to a wheel comprising an inner row of expansion turbine blades and an outer row of air compression blades, separated from each other by an intermediate bandage. The blades of the air compressor also have an external bandage. A filament having a

structure composite possédant un rapport élevé de la résis-  composite structure with a high ratio of

tance mécanique à la masse, comprenant un filament de modu-  mechanical strength, comprising a modulus filament

le élevé imprégné d'un polymère résistant à température  the high impregnated with a temperature resistant polymer

élevée, est enroulé autour du bord extérieur de l'ensemble.  high, is wrapped around the outer edge of the set.

L'invention concerne donc un rotor céramique pour  The invention therefore relates to a ceramic rotor for

turbine à gaz, capable de maintenir tous les éléments céra-  gas turbine, able to maintain all the ceramic elements

miques en compression lors du fonctionnement.  in compression during operation.

Elle concerne aussi un rotor de turbine à gaz  It also relates to a gas turbine rotor

capable de supporter des températures élevées.  able to withstand high temperatures.

Elle concerne aussi un rotor céramique pour tur-  It also relates to a ceramic rotor for tur-

bine à gaz qui a un faible poids.gas-powered machine that has a low weight.

Elle concerne aussi un tel rotor qui possède une  It also concerns such a rotor which has a

résistance mécanique élevée.high mechanical strength.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-  Other features and advantages of the invention

tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, fai-  tion will be better described in the following description,

te en référence aux dessins annexés sur lesquels  refer to the accompanying drawings in which

- la figure 1 est une perspective du rotor céra-  FIG. 1 is a perspective view of the ceramic rotor

mique de turbine à gazgas turbine

- la figure 2a est une vue en plan du rotor c -  FIG. 2a is a plan view of the rotor c.

ramique pour turbine à gaz de la figure l; - la figure 2b est une coupe partielle suivant la ligne 2b-2b de la figure 2a; - la figure 3 est une perspective d'un élément du rotor céramique pour turbine à gaz selon l'invention;et - la figure 4 est une coupe schématique illustrant  ramique for a gas turbine of FIG. - Figure 2b is a partial section along the line 2b-2b of Figure 2a; FIG. 3 is a perspective view of an element of the ceramic gas turbine rotor according to the invention; and FIG. 4 is a diagrammatic section illustrating FIG.

un cycle de fonctionnement d'une turbine à gaz.  a cycle of operation of a gas turbine.

Les figures 1 à 2b représentent un rotor axial céramique pour turbine à gaz, portant la référence 10 et formé de nitrure de silicium, de carbure de silicium, de "Sialon" ou d'une céramique analogue ayant une résistance mécanique élevée. Le rotor 10 comprend normalement un moyeu céramique ou métallique 12 fixé à une roue céramique 14. Cette dernière a en outre une rangée interne d'aubes 16 de turbine de détente et une rangée externe de pales 18 de compresseur d'air, séparées l'une de l'autre par un bandage médian 20. Les pales 18 du compresseur ont aussi  Figures 1 to 2b show a ceramic axial rotor for gas turbine, bearing the reference 10 and formed of silicon nitride, silicon carbide, "Sialon" or a similar ceramic having a high mechanical strength. The rotor 10 normally comprises a ceramic or metal hub 12 fixed to a ceramic wheel 14. The latter also has an inner row of expansion turbine blades 16 and an outer row of air compressor blades 18, separated from each other. one of the other by a median bandage 20. The compressor blades 18 also have

un bandage externe 22. Un filament ayant une structure com-  an outer bandage 22. A filament having a composite structure

posite possédant un rapport élevé de la résistance mécanique  posite having a high ratio of mechanical strength

à lamasse est enroulé sur le bord externe 23 du bandage ex-  is wrapped around the outer edge 23 of the outer bandage

terne 22, cette structure comprenant un filament de module  dull 22, this structure comprising a module filament

élevé imprégné d'un polymère résistant à température élevée.  high impregnated with a high temperature resistant polymer.

La structure composite forme un anneau 24 contre lequel les éléments céramiques sont comprimés lors de la rotation du rotor. Il est essentiel à cet effet que les pales froides  The composite structure forms a ring 24 against which the ceramic elements are compressed during rotation of the rotor. It is essential for this purpose that the cold blades

18 du compresseur d'air se trouvent à l'extérieur par rap-  18 of the air compressor are on the outside with

port à la partie chaude des aubes 16 de la turbine de dé-  port to the hot part of the vanes 16 of the turbine of

tente étant donné que la partie formant compresseur d'air ne constitue qu'un étage de compression, dans le cycle du moteur à turbine à gaz et, en coopération avec l'air admis, forme une barrière thermique protégeant la structure de  because the air compressor part is only a compression stage in the cycle of the gas turbine engine and, in cooperation with the intake air, forms a thermal barrier protecting the air compressor structure.

l'anneau 24 formé du filament enroulé contre les tempéra-  the ring 24 formed of the filament wound against the temperatures

tures élevées de la partie de détente.  high heights of the relaxation part.

Des structures composites contenant un filament  Composite structures containing a filament

enroulé, mettant en oeuvre comme liant des polymères orga-  wound, using organic polymers as binder

niques, ont une température maximale d'utilisation de 315*C environ. Les fuites provenant de la partie de détente, par le joint qui se trouve au niveau du bandage médian 20, ne provoquent pas une rupture du rotor 10 mais seulement une légère augmentation des températures de l'air introduit dans  have a maximum operating temperature of approximately 315 ° C. The leaks from the expansion portion, through the seal at the center band 20, do not cause the rotor 10 to rupture, but only a slight increase in the air temperatures introduced into the rotor.

le brûleur.the burner.

Des matières céramiques de résistance mécanique élevée telles que le nitrure de silicium sont nécessaires pour l'utilisation des températures élevées d'admission de la turbine telles que 13700C, permettant une augmentation du rendement des moteurs à turbine à gaz. Un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible, et la résis- tance mécanique élevée présentée par le nitrure de silicium sont aussi des propriétés essentielles pour la matière du rotor étant donné les gradients élevés de température dus  Ceramic materials of high mechanical strength such as silicon nitride are required for the use of high turbine inlet temperatures such as 13700C, allowing for increased efficiency of gas turbine engines. An extremely low coefficient of thermal expansion, and the high mechanical strength exhibited by silicon nitride are also essential properties for the rotor material given the high temperature gradients due to

à cette conception.to this design.

Le rotor dans son ensemble peut être sous forme d'un rotor céramique monolithique 10 comme représenté sur  The rotor as a whole may be in the form of a monolithic ceramic rotor 10 as shown in FIG.

la figure 1, autour duquel la structure composite convena-  FIG. 1, around which the composite structure

ble est enroulée, et qui est fixé par un moyeu 12 à l'arbre  ble is wound, and which is fixed by a hub 12 to the shaft

26 ou qui peut être monté à partir de tronçons céramiques-  26 or that can be mounted from ceramic sections-

en forme de tranches comme représenté sur la figure 3. Ces tronçons individuels sont mis sous forme d'une roue et le filament est enroulé sur le bandage externe. La partie  in the form of slices as shown in Figure 3. These individual sections are shaped as a wheel and the filament is wound on the outer bandage. The part

centrale est maintenue en compression et est fixée à l'ar-  central station is kept in compression and is fixed in

bre 26 par un moyeu 12 comme indiqué sur la figure 2b. La possibilité de la construction d'un tel rotor original à  26 by a hub 12 as shown in Figure 2b. The possibility of building such an original rotor to

partir d'éléments individuels, comme représenté sur-la fi-  from individual elements, as shown on the bottom

gure 3, permet la réalisation de rotors céramiques 10 de plus grande dimension que ceux qui peuvent être fabriqués sous forme monolithique, étant donné l'état actuel de la  FIG. 3 allows the production of ceramic rotors 10 of larger size than those which can be manufactured in monolithic form, given the current state of the art.

technologie dans le domaine céramique. En outre, les élé-  technology in the ceramic field. In addition,

ments céramiques plus petits peuvent être réalisés et éprouvés de façon moins coûteuse et à un moindrerisque  smaller ceramic elements can be made and tested cheaper and to a lesser extent

qu'un élément monolithique de grande dimension.  as a monolithic element of great size.

Le rotor selon l'invention non seulement peut  The rotor according to the invention not only

supporter des températures élevées mais est encore extrê-  withstand high temperatures but is still extremely

mement léger. Le nitrure de silicium, le carbure de sili-  lightly. Silicon nitride, silicon carbide

cium, le "Sialon", etc. ont une masse volumique d'environ 3,0 à 3,8 g/cm3, par rapport à celle d'environ 8 g/cm3  cium, the "Sialon", etc. have a density of about 3.0 to 3.8 g / cm 3, compared to about 8 g / cm 3

d'un superalliage classique.a classic superalloy.

La figure 4 représente un exemple de cycle d'un  Figure 4 shows an example of a cycle of a

moteur à turbine à gaz, correspondant à une disposition-  gas turbine engine corresponding to a

possible des principaux éléments.possible of the main elements.

Claims (4)

REVENDICATIONS 1. Rotor céramique pour turbine, caractérisé en ce qu'il comprend un moyeu (12) destiné au montage du rotor sur un arbre (26), une roue céramique qui comporte une rangée interne d'aubes (16) de détente,  Ceramic turbine rotor, characterized in that it comprises a hub (12) intended for mounting the rotor on a shaft (26), a ceramic wheel which comprises an inner row of expansion vanes (16), une rangée externe de pales (18) de compres-  an outer row of blades (18) of compres- seur, un bandage médian (20) destiné à isoler les aubes des pales, et  a medial bandage (20) for isolating the vanes of the blades, and un bandage externe (22) disposé circonféren-  an outer bandage (22) arranged circumferentially tiellement afin qu'il empêche le gaz de s'échapper vers l'extérieur du rotor, et  to prevent the gas from escaping to the outside of the rotor, and un anneau composite (24) à filament enroulé, dis-  a wound filament composite ring (24) posé circonférentiellement autour du bandage externe afin qu'il assure l'application d'une force de compression aux  placed circumferentially around the outer bandage to ensure the application of a compressive force to the éléments céramiques pendant la rotation.  ceramic elements during rotation. 2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce  2. Rotor according to claim 1, characterized in that que le moyeu (12) est métallique.that the hub (12) is metallic. 3. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce  Rotor according to claim 1, characterized in that que le moyeu (12) est céramique.that the hub (12) is ceramic. 4. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la céramique est choisie dans le groupe qui comprend le  4. Rotor according to claim 1, characterized in that the ceramic is chosen from the group which comprises the nitrure de silicium, le carbure de silicium et le "Sialon".  silicon nitride, silicon carbide and "Sialon".
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