FR2482664A1 - Carter de turbo-machine thermique a revetement isolant thermique - Google Patents

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Abstract

A.CARTER DE TURBO-MACHINE THERMIQUE A REVETEMENT ISOLANT THERMIQUE. B.CARTER CARACTERISE EN CE QUE LE REVETEMENT SE COMPOSE D'UNE COUCHE D'ACCROCHAGE OU DE COLLAGE METALLIQUE 31 REVETUE D'UNE COUCHE INTERMEDIAIRE 32 EN MATIERE CERAMIQUE, ELLE-MEME REVETUE D'UNE COUCHE DE REVETEMENT POREUSE 33 PRINCIPALEMENT METALLIQUE. C.L'INVENTION CONCERNE LE REVETEMENT DU CARTER DE TURBO-MACHINES.

Description

2482o64 La présente invention concerne un carter de
turbo-machine thermique muni d'un revêtement d'isolation ther-
mique en un matériau céramique.
Etant donné l'augmentation de plus en plus forte des puissances de turbomachines thermiques au cours de la période récente, par exemple des turbines à gaz et des compresseurs, on rencontre des problèmes d'isolation thermique pour de telles machines. Le revêtement du carter avec un matériau
céramique se traduit par une amélioration considérable de l'iso-
lation thermique mais il n'a pas encore été possible jusqu'à présent de dominer la très forte dilatation différentielle à la chaleur entre le carter métallique et le revêtement en
céramique, en utilisant des mpyens constructifs acceptables.
Un autre problème de carter à revêtement céramique est que la matière céramique ne convient pas comme couche de glissement ou de démarrage pour des rotors tournant rapidement à cause de la grande dureté de cette couche; cela augmente l'usure du rotor se traduisant par des balourds dans le rotor et des
intervalles mères trop grands, inacceptables.
La présente invention a pour but de créer un carter du type ci-dessus, pour une turbo-machine thermiquequi assure en même temps une très forte isolation thermique et une très bonne caractéristique de glissement au départ. De plus, le carter doit être très réfractaire et résistant aux cariations
de température.
A cet effet, l'invention concerne une turbo-
machine thermique du type ci-dessus, caractérisée en ce que le revêtement est un corps composé de plusieurs couches appliquées par projection thermique, se composant d'au moins une couche de collage métallique sur la paroi du carter, une couche intermédiaire céramique et une couche de revêtement poreuse,
à prédominance métallique, constituant le revêtement de démarrage.
Le carter muni du revêtement selon l'invention offre l'avantage de présenter une isolation thermique très élevée du fait de la couche intermédiaire en matière céramique, entre la veine de gaz chaud et le carter métallique; par ailleurs, du fait de la couche de recouvrement poreuse principalement métallique, on réduit au minimum l'usure du rotor lors du démarrage sur le carter. En particulier, pour un fonctionnement non stationnaire de la turbo-machine, le corps composé à couches multiples améliore le comportement du fonctionnement. C'est ainsi qu'à l'accélération de la turbo-machine et pour la très forte augmentation de la température liée à cette accélération, la couche intermédiaire en matière céramique, à isolation thermique évite une forte et rapide dilatation du carter métallique à paroi mince si bien que l'intervalle d'air entre le rotor qui se dilate lentement et le carter reste faible. Inversement, lors d'une décélération de la turbo-machine et de la chute très forte de la température à l'intérieur de la machine on évite que le carter à paroi mince ne se refroidisse beaucoup plus rapidement
que le rotor, ce qui entraînerait une très forte usure, inaccep-
table de la surface intérieure du carter par le rotor, en parti-
culier pour une nouvelle accélération au cours de la phase de décélération. Le rotor arrive au contact si bien que grâce au revêtement du carter par une couche interne de revêtement à caractéristique particulière, on évite l'usure du rotor ou des aubes du rotor. En résumé, le revêtement selon l'invention permet de dimensionner de façon plus précise l'écart entre le rotor ou les aubes du rotor et le carter et d'aboutir ainsi à un meilleur
rendement.
Suivant une autre caractéristique de l'inven-
tion, le revêtement comporte une structure métallique en nids d'abeilles, qui est mise en place par une couche d'adhésion métallique appliquée par projection sur la paroi du carter,
et qui est partiellement remplie d'une couche en matière cérami-
que. Grâce à ce remplissage de la structure en nids d'abeilles, métallique par une couche d'isolation thermique, on arrive aux
avantages mentionnés ci-dessus, en particulier lorsque la turbo-
machine travaille en régime non stationnaire.
Suivant un mode de réalisation préférentiel de l'invention, en plus de la structure en nids d'abeilles il est prévu une couche de recouvrement poreuse, principalement métallique, en un matériau approprié pour constituer un revêtement de démarrage, ce matériau étant mis en place jusqu'à hauteur de la structure en nids d'abeilles. Grâce à ce remplissage complet de la structure en nids d'abeilles, on arrive à une meilleure protection contre la corrosion par les gaz chauds en particulier pour un alliage métallique de chrome-aluminium yttrium; grâce à cet alliage même dans les plages de température les plus élevées on arrive à une protection suffisante des nids
d'abeilles contre la corrosion par les gaz chauds.-
Suivant une caractéristique de l'invention, la couche de collage métallique est un alliage Ni-Cr-Al avec
4,5-7,5 % en poids de Al, 15,5-21,5 % en poids de Cr, le complé-
ment étant du nickel Ni. Suivant une autre caractéristique, la couche d'isolation thermique est en ZrO2 contenant entre 5 à 31 % de
CaO, 8 à 20 % de Y203 ou 15 à 30 % de MgO pour stabiliser.
Suivant une autre caractéristique, le composé ZrO2 de stabilisation contient une composante métallique (couche
de cermet).
Suivant une autre caractéristique, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un revêtement du carter tel que défini ci-dessus. Ce procédé se caractérise en ce que la couche de revêtement poreuse est formée d'un alliage de préférence un alliage Ni-Cr et d'une combinaison métal-céramique de préférence Ni-BN ou d'une combinaison métal-matière synthétique de préférence Ni-polyamide (NiCr-Polyamide) ou d'une combinaison Ni-graphite avec de préférence 75 % en'poids de Ni et 25 % en
poids de graphite.
Le procédé selon l'invention permet de réaliser un mécanisme de collage entre les diverses couches, ce collage étant assuré par l'accrochage mécanique et la liaison physique, la diffusion et les effets d'alternance métallurgique; ce qui se traduit par un accrochage particulièrement bon. Grâce au procédé selon l'invention, on arrive à une température plus élevée de la surface limite et à une bonne réticulation qui est la condition pour obtenir un accrochage élevé entre les diverses couches. Il s'est avéré qu'une profondeur de cavité de 30 à 40/,Lassurait un accrochage mécanique particulièrement bon entre le carter métallique et la couche d'accrochage (principe des
boutons pression).
La fabrication du revêtement du carter telle que définie ci-dessus se caractérise en ce qu'on réalise par projection une rugosité d'une profondeur de 30 à 40/, dans la paroi du carter en utilisant de préférence Al 203 puis on applique par projection à la flamme ou au plasma, la couche d'accrochage, la couche d'isolation thermique et la couche de revêtement, chaque couche successive étant projetée sur la couche précédente
sans refroidissement intermédiaire.
Suivant une autre caractéristique, on soude une structure en nids d'abeilles d'une largeur de maille d'au moins 2 mm sur la paroi intérieure du carter puis on réalise une rugosité de surface d'une profondeur de 30 à 40/-'à par projection en utilisant de préférence A1203, puis on projette tout d'abord la couche de collage puis la couche de céramique
sur la structure en nids d'abeilles sans refroidissement inter-
médiaire entre les projections.
La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'une turbo-machine, - la figure 2 est une vue agrandie d'environ fois d'un revêtement de carter en coupe, - la figure 3 est une vue de détail, partielle,
en perspective d'une structure en nids d'abeilles.
Selon la-coupe longitudinale de la figure 1, la turbo-machine comporte un rotor 1 logé dans un carter 2. Le
rotor 1 se compose de deux disques de rotor qui sont respecti-
vement garnis d'aubes axiales. Chaque fois en face des faces frontales des aubes du rotor, le carter 2 comporte un revêtement 3
à plusieurs couches selon l'invention.
La structure du revêtement 3 est représentée a échelle agrandie dans là vue en coupe de la figure 2. Le carter métallique lui-même porte la référence 2 à la figure 2. De façon adjacente à la surface supérieure du carter métallique 2 se trouve une couche d'accrochage ou de collage 31 métallique; cette
couche est revêtue d'une couche intermédiaire 32 en matière céra-
mique elle-même revêtue d'une couche de revêtement poreuse prin-
cipalement métallique. Les zones blanches de la couche de revê-
tement 33 représentent les particules de nickel; les zones gris sombres représentent les particules de graphite et les zones noires les cavités. Le bord noir qui apparait au-dessus de la couche de recouvrement 33 est le fond; cette bande noire ne fait
plus partie de la couche de revêtement ou de recouvrement 33.
La vue en perspective de la figure 3 montre
la paroi du carter métallique 2 munie d'une couche de collage 31.
Contrairement au revêtement selon la figure 2, le carter métal-
lique 2 comporte une structure en nids d'abeilles 34 métallique soudée sur le carter. La couche de collage 31 et la couche d'isolation 32, en céramique recouvrant la précédente, sont mises dans les cavités de la structure en nids d'abeilles par projection
à la flamme ou au plasma.
Dans l'exemple de réalisation selon la figure 3, les cavités 34 de la structure en nids d'abeilles sont remplies sensiblement jusqu'à la moitié de leur hauteur et *au-dessus de la couche d'isolation thermique 32 en matière céramique il y a
du volume libre.
Dans des variantes de réalisation, on peut remplir le volume au-dessus de la couche d'isolation thermique 32 en matière céramique dans les cavités 34 de la structure en nids d'abeilles par une couche de revêtement poreuse principalement métallique ou par une couche de revêtement particulièrement résistante à la corrosion des gaz chauds. De plus, suivant une autre variante, on peut remplir complètement les cavités 34 de la structure en nids d'abeilles par une couche d'isolation * thermique en matière céramique. L'utilisation de la structure en nids d'abeilles 34 est avantageuse avant tout à cause de son effet de support pour le corps composé à plusieurs couches formé de la couche d'accrochage 31, de la couche d'isolation thermique 32 et, le cas échéant, de la couche de revêtement 33, poreuse.
248'2664

Claims (9)

REVENDICATIONS
1) Carter de turbo-machine thermique muni d'un revêtement d'isolation thermique en un matériau céramique, carter caractérisé-en ce que le revêtement est un corps composé de plusieurs couches appliquées par projection thermique, se composant d'au moins une couche de collage (31), métallique réalisée sur la paroi du carter, une couche intermédiaire (32)
céramique et une couche de recouvrement (33), poreuse, princi-
palement métallique et constituant le revêtement de démarrage.
2) Carter pour une turbo-machine thermique muni d'un revêtement d'isolation thermique en un matériau céramique, carter caractérisé en ce que le revêtement comporte une structure en nids d'abeilles (34) métallique, remplie au moins partiellement d'une couche d'accrochage (31) métallique appliquée contre la paroi du carter et d'une couche d'isolation
thermique (32) céramique.
3) Carter selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche d'isolation thermique (32) est une couche de revêtement (33), poreuse, principalement métallique, en un matériau approprié pour constituer un revêtement de démarrage
et arrivant jusqu'à hauteur de la structure en nids d'abeilles.
4) Carter selon la revendication 2, caractérisé
en ce que sur la couche d'isolation thermique en matière cérami-
que, il est appliqué une couche de revêtement poreuse en un matériau résistant à la corrosion des gaz chauds, notamment un
alliage métal-chrome-aluminium-yttrium (alliage MeCrAlY).
) Carter selon!une quelconque des revendications
1 à 4, caractérisé en ce que la couche de collage métallique est réalisée en un alliage Ni-Cr-Al composé de 4,5 à 7,5 % en poids de Al, 15,5 à 21,5 % en poids de Cr, le complément étant du nickel Ni.
6) Carter selonl'une quelconque des revendications
1 à 5, caractérisé en ce que la couche d'isolation thermique est en ZrO2 stabilisée par 5 à 31 % de CaO ou de 8 à 20 % de Y203
ou de 15 à 30 % de MgO.
7) Carter selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un composant métallique (mélange Cermet) est ajouté au
composant ZrO2 de stabilisation.
8) Carter selon l'une quelconque des revendi-
cations 1 à 3 ou 5 à 7, caractérisé en ce que la couche de revêtement poreuse est un alliage de préférence un alliage Ni-Cr ou une combinaison métal-céramique de préférence Ni-BN ou une combinaison métal-matière synthétique de préférence Ni-polyamide (NiCr-polyamide) ou une combinaison Ni-graphite avec de préférence 75 % en poids de Ni et 25 % en poids de graphite. 9) Procédé pour la réalisation d'un revêtement
de carter selon l'une quelconque des revendications 1 et 5 à 8,
caractérisé en ce qu'on réalise par projection une rugosité de surface d'une profondeur de 30 à 40// dans la paroi du carter en utilisant de préférence Al2 0 puis on applique par projection à la flamme ou au plasma la couche d'accrochage, la couche d'isolation thermique et la couche de revêtement, chaque couche
successive étant projetée sur la couche précédente sans refroi-
dissement intermédiaire.
) Procédé pour la réalisation d'un revêtement
de carter selon l'une quelconque des revendications 2 à 8,
caractérisé en ce qu'on soude une structure en nids d'abeilles d'une largeur de maille d'au moins 2 mm sur la paroi intérieure du carter puis on réalise une rugosité de surface d'une profondeur de 30 à 40 t. par projection en utilisant de préférence Al2 03 puis on projette tout d'abord la couche de collage puis la couche
de céramique sur la structure en nids d'abeilles sans refroidis-
sement intermédiaire entre les projections.
11) Procédé selon la revendication 10, caracté-
risé en ce quton projette la couche de revêtement sur la couche
de céramique sans refroidissement intermédiaire.
12) Carter de turbo-machine thermique à revê-
tement d'isolation thermique en céramique selon l'une quelconque
des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'à la place de la
structure en nids d'abeilles (34) partiellement remplie, on remplit complètement la structure en nids d'abeilles avec la
couche de collage ou la couche d'isolation thermique.
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