FR2531491A1 - Systeme de joint abrasif/abrasable pour machine rotative - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN SYSTEME DE JOINT ABRASABLEABRASIF POUR MOTEUR A TURBINE A GAZ. LE SYSTEME DE JOINT COMPREND UNE COUCHE ABRASIVE 40 QUI EMPECHE UNE INTERACTION DIRECTE ENTRE LES ELEMENTS 30, 20 EN MOUVEMENT RELATIF L'UN PAR RAPPORT A L'AUTRE ET UNE COUCHE ABRASABLE 43 QUI CREE UN DEGRE EFFICACE D'ETANCHEITE AU FLUIDE ENTRE LES ELEMENTS. L'INVENTION EST PAR EXEMPLE UTILISABLE DANS LES MOTEURS A TURBINES A GAZ.

Description

La présente invention concerne le domaine des joints utilisés dans une

machine en rotation pour empêcher la fuite des fluides L'invention concerne également le domaine des joints abrasifs qui empêchent une interaction

directe entre les éléments en mouvement des machines.

Le coût croissant de l'énergie a donné la priorité à la recherche d'un fonctionnement efficace des moteurs à turbine à gaz Le rendement peut être augmenté en réduisant les fuites Le rendement est par conséquent amélioré si les tolérances et les espaces entre les éléments en mouvement, disposés très près l'un de l'autre, sont réduits Des efforts sensibles ont été faits dans la technique pour développer des joints Une approche générale a été celle qui est appelée "revêtement abrasable O De tels revêtements sont adaptés pour être aisément usés

par les éléments en mouvement, permettant ainsi à ces élé-

ments d'arriver à un équilibre efficace sans usure impor-

tante de ces éléments Des exemples typiques de la technique des joints abrasables sont ceux décrits dans les brevets US 3 413 136 et 3 879 8310 Une autre approche qui a été

moins largement utilisée est la technique des joints abra-

sifs Dans un joint du type abrasif, un élément en mouve-

ment est enduit d'une matière abrasive et l'autre élément en mouvement relatif par rapport à cet élément est disposé

très près de celui-ci de sorte que pendant le fonctionne-

ment, l'abrasif découpe l'autre élément en laissant un espace minimum entre l'élément enduit de l'abrasif et l'élément non-enduit Une telle technique est décrite

dans le brevet US No 3 339 933.

Des techniques de la métallurgie des poudres ont été mises en oeuvre pour produire de tels joints de

moteurs à turbine à gaz; de telles techniques sont décri-

tes dans les brevets US 3 844 011 et 3 147 087 Il est également connu dans la métallurgie des poudres de

réaliser des articles ayant une densité variable et conte-

nant des quantités substantielles de porosité O -2- Le brevet US 3 880 550 décrit un joint de métal solide à utiliser dans la section de turbine des moteurs à turbine à gaz, ayant des propriétés quivarient à travers de l'épaisseur du joint. La présente invention concerne un joint composite pulvérisé à l'arc plasma ayant une utilité

particulière dans les moteurs à turbine à gaz, particu-

lièrement ceux du type à flux axial De tels moteurs îO comprennent des rangées alternées d'aubes stationnaires et des pales en mouvement, les pales étant fixées à la

périphérie des disques en rotation montés sur l'arbre.

Le joint selon la présente invention comprend une partie abrasive et une partie abrasable Le joint est appliqué à la surface d'un élément de moteur o une

interaction se produit ou est prévue avec un autre élément.

La partie abrasive est immédiatement adjacente à l'élément,

et la partie abrasable est disposée sur la partie abrasive.

L'écartement entre les éléments et les dimensions du joint est conçu de façon que pendant le fonctionnement normal une interaction se produit entre l'élément non-enduit et la partie abrasable du joint alors qu'en fonctionnement anormal, l'élément non-enduit vient en contact avec l'élément abrasif Le contact avec l'élément abrasif empêche un contact par frottement direct entre les deux éléments Le joint selon la présente invention a une possibilité d'application particulière dans la section de compresseur des moteurs à turbine à gaz o un-contact

direct d'éléments en titane doit être évité.

Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes o: La figure 1 est une vue en coupe partielle

d'un compresseur de moteur à turbine à gaz typique.

La figure 2 est une vue en perspective montrant le rapport entre les pales de compresseur et le carter

du compresseur.

La figure 3 est une vue en perspective montrant

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-3- les aubes du compresseur et le joint interne étanche à l'air. La figure 1 représente une partie en coupe dvune section de compresseur d'un moteur à turbine à gaz moderne Les éléments important pour la compréhension-de la présente invention sont une pluralité de disques rotatifs 1 sur la périphérie desquels sontmontées une pluralité de pales 2 Les pales tournent dans le carter interne 3 et sont disposées très près de celui-ci Une fuite minimum entre les pales et le carter interne est obtenue par la réalisation d'un joint 4 (le joint

externe étanche à l'air), monté sur le carter interne.

Monté à l'intérieur et sur le carter interné 3 sont dispo-

sés une pluralité d'aubes 5 sur les extrémités internes libres 6 desquelles est monté un autre joint 7 (le joint interne étanche à l'air) qui est disposé très près des

lames 8 montées sur des prolongements des disques 1.

Selon une autre possibilité de mode de réalisation, les disques ne comportent pas de projection faisant partie

intégrante avec ceux-ci, mais sont séparés par des écar-

teurs sur lesquels des lames peuvent être montées -a lame 8 et le joint interne 7 coopèrent pour réduire

la fuite et améliorer le rendement.

Les joints pour lesquels la présente invention convient particulièrement sont disposés sur le carter interne 4 adjacent aux extrémités libres des pales 2 (joint externe), et sur les extrémités libres 6 des aubes 5 (les joints internes) Les joints selon la présente invention sont de préférence montés sur des substrats stationnaires réalisés pour venir contre-les éléments en mouvement (non enduits). La figure 2 est une vue en perspective montrant le rapport entre les extrémités libres des pales 20 et le carter interne 30, et montrant le joint externe 40 avec plus de détails Soudé-au carter 30 se trouve le joint 40 selon la présente invention Le mode de réalisation montré -4- est un mode de réalisation à trois couches qui comprend une couche interne abrasive 41 soudée au carter 30, une couche intermédiaire 42 soudée à la couche abrasive 41 et une couche abrasable externe 43 soudée à la couche

intermédiaire 42.

La figure 3 est une vue en perspective montrant l'application d'un autre mode de réalisation de la présente invention au joint interne La figure montre le carter

io interne 30 sur lequel est montée une pluralité d'aubes 50.

Faisant partie intégrante avec les extrémités libres des aubes sont des plates-formes ou substrats 110 pour le joint

interne sur lesquels le joint selon l'invention est dispo-

sé Il est montré un mode de réalisation à deux couches qui comprend une couche abrasive interne 111 soudée aux plates-formes et une couche abrasable 112 soudée à la couche

abrasive 111 En fonctionnement, les lames (non repré-

sentés) agissent pour user ou abraser une rainure dans le

joint pour réaliser l'étanchéité.

Pour des raisons aérodynamiques, il est essentiel que la fuite, le courant de gaz entre les sommets de pales et le carter, ou les extrémités d'aubes et les disques ou écarteurs soit réduite au minimum (ci-après "pale" sera utilisée pour désigner d'une manière générique les parties de la turbine qui interréagissent avec les joints) Ce problème est exacerbé par les changements de dimensions qui se produisent pendant le fonctionnement du moteur

dus à la température et aux contraintes.

Dans la technique connue, des matières de joints abrasables ont été utilisées De telles matières ont une nature friable, cassante qui permet de les user sans usure ou endommagement significatif permettant de réduire le jeu pendant le fonctionnement du moteur pour

réduire et ainsi améliorer le rendement du moteur.

Un autre problème significatif est rencontré dans les compresseurs de turbine Les éléments de compresseur sont habituellement réalisés en un alliage -5- de titane Le titane est un métal réactif et s'il se produit

un frottement impliquant des éléments en titane, une combus-

tion catastrophique soutenue peut en résulter Une telle combustion est encouragée par l'environnement dans le com- presseur qui peut comporter des températures jusqu'à environ

4820 C et des pressions jusqu'à 2,064 M Pa qui, en combinai-

son, forment une atmosphère conduisant à la combustion.

La présente invention est une nouvelle compo-

sition de joint et une nouvelle structure qui a des carac-

téristiques abrasables pendant les conditions de fonction-

nement normales et des caractéristiques abrasives pendant les conditions de fonctionnement anormales En particulier,

dans les conditions de fonctionnement résultant en une ex-

cursion de la pale dans le joint supérieur aux limites du design, les pales en rotation viennent en contact avec

une partie abrasive du joint et les pales sont usées.

Ceci empêche un contact par frottement des pales avec le

carter du moteur, réduisant ainsi les chances d'une combus-

tion.

La partie du joint qui est immédiatement adjacente & l'élément stationnaire (le carter interne ou les extrémités de l'aube) est réalis* en une matière abrasive résistante au frottement Luexpression "abrasive" telle qu'elle est utilisée ici, décrit une matière qui lors d'un frottement par contact avec un élément en alliage de titane, provoquera une usure substantielle de l'élément en alliage de titane sans que la matière abrasive ne

subisse une usure significa tive Plus précisément, l'expres-

sion "'abrasive" sera utilisée pour désigner ces matières o une interaction d'usure résultera avec au moins 80 % de l'usure totale se produisant dans l'élément non-enduit et moins de 20 % de l'usure totale se produisant dans la matière

abrasive Pour le constituant abrasable l'inverse se pro-

duit, c 1 est-à-dire que la plus grande partie de l'usure

se produit dans l'élément abrasable plutôt que dans l'élé-

ment non-enduit En particulier, au moins 60 % de l'usure -6- au cours d'une interaction donnée se produira dans l'élément

abrasable et moins de 40 % se produira dans l'élément non-

enduit Dans les définitions précédentes, "non-enduit" signifie n'ayant pas de revêtement abrasif ou abrasable. Des couches protectrices ou revêtements ayant d'autres

fonctions principales peuvent être présentes.

L'assemblage des joints est fabriqué par un procédé de pulvérisation à l'arc plasma Au cours d'un tel procédé, la matière de départ, sous forme de poudre,

est chauffée en un plasma de sorte qu'au moins un ramollisse-

ment de surface des particules de poudre est produit et la poudre chauffée est alors projetée à haute vitesse contre le substrat o il se produit un soudage Une grande variété de matière abrasive peut être utilisée y compris le carbure de tungstène, le carbure de chrome, le nitrure de silicium, l'oxyde d'aluminium, le carbure de silicium et des mélanges de ceux-ci; les dimensions des particules se situent entre 0,037 à 0,250 mm Plus particulièrement, des compositions abrasives à base de carbure de tungstène et de carbure de chrome ont été utilisées avec succès et sont préférées Dans le cas d'abrasifs intermétalliques tels que le carbure de chrome et le carbure de tungstène, on trouvera généralement qu'il est souhaitable d'utiliser un

liant métallique pour garantir une meilleur liaison inter-

particules et des particules au substrat Le liant, s'il

est utilisé, est choisi pour être essentiellement non-réac-

tif avec l'abrasif Dans le cas d'une carbure de tungstène, un mélange de poudre comprenant environ 88 % en poids de carbure de tungstène et environ 12 % en poids de liant de cobalt a été utilisé, alors que dans le cas de la couche d'abrasif de carbure de chrome, une poudre contenant environ 75 % en poids de Cr 3 C 2 et environ 25 % en poids d'un alliage constitué de 80 % de nickel et 20 % de chrome a été utilisée On trouvera souvent qu'il est souhaitable d'utiliser un revêtement liant initial pour garantir que la matière abrasive adhère au substrat; un tel revêtement -7- liant peut par exemple comprendre le même alliage ou des alliages similaires à celui utilisé comme matière de matrice ou matière de liant en rapport avec la matière abrasive D'autres revêtements liants peuvent être utili- sés, y compris les alliages du type M Cr Al, o M est une matière choisie dans le groupe-consistant en fer, nickel, cobalt, et des mélanges de ceux-ci; Cr est le chrome en une quantité d'environ 5 à 25 % en poids; Al est de l'aluminium en une quantité d'environ 5 à environ 20 % en poids Les matières réactives telles que Y, La, Sc, Hf etc peuvent être ajoutées en quantité de l'ordre de 0,1

à 2 %.

L'épaisseur totale du joint se situera habi-

tuellement entre 0,051 à 0,381 cm, l'épaisseur de la partie abrasable externe se situera entre environ 30 % à environ 80 % de l'épaisseur totale La partie abrasable

externe du joint est également fabriquée par pulvérisa-

tion à l'arc plasma Des matières abrasables sont celles qui sont aisément abrasées ou éliminées par usure; l'aptitude à l'abrasion peut être obtenue en dispersant des particules d'une matière cassante-dans une matrice plus ductile Une telle particule dispersée cassante peut être choisie dans le groupe comprenant le graphite,

mica, disulfure de molybdène, nitrure de bore, vermiculi-

te, asbeste, terres à diatomées, verre, rhyolite, bento-

nite, cordiérite, et des mélanges de ceux-ci Une quantité jusqu'à 65 % en volume peut être utilisée En plus de ces matières, l'aptitude à l'abrasion peut être obtenue en créant une quantité de porosité dans la matière (jusqu'à % en volume); une telle porosité peut être obtenue en faisant varier les paramètres de pulvérisation à l'arc plasma ou en utilisant des particules plus grandes ou en co-pulvérisant une matière telle qu'un polyester-ou -un sel, qui peut être ensuite éliminée par combustion ou par lixiviation de la structure déposée O La matrice de préférence contient 5 % à 25 % Cr, 0 % à 20 % Al, O à 2 % d'une -8- matière choisie dans le groupe consistant en Y, Hf, La, Sc et des mélanges de ceux-ci, le complément étant-choisi dans

le groupe consistant en fer, nickel et cobalt, et des mélan-

ges de nickel et cobalt La quantité totale de matière cassante et de pt 5 rosité doit se situer entre 30 % O à 70 % en volume Dans le brevet US No 3 879 831 on décrit d'une

manière générale les matières abrasables.

Avec les soudures décrites précédemment, une

grande variété de modes de réalisation peut être réalisée.

Le mode de réalisation le plus simple est le système à deux couches comprenant une partie abrasive interne adjacente au carter, et une couche externe abrasable L'abrasif est choisi dans le groupe énuméré précédemment et un mince revêtement liant initial peut également être utilisé La

couche interne est libre de toute porosité intentionnelle.

L'épaisseur de la partie interne se situe entre environ 10 % à environ 50 % de l'épaisseur totale du joint La partie abrasable externe comprend une matière de matrice ductile

contenant une matière cassante dispersée et/ou porosité.

Dans le mode de réalisation à deux couches, il n'y a pas de zones de transition intentionnelles entre les couches, bien

que dans un joint à deux couches, par le procédé de pulvé-

risation de plasma, une mince couche intermédiaire mélangée

peut être présente.

Un schéma de joints plus complexe est celui o on utilise trois couches La couche interne est la même que la couche interne dans le schéma à deux couches contenant l'abrasif Similairement, la couche interne est identique

de part sa composition à celle précédemment décrite en -

rapport avec le mode de réalisation à deux couches et com-

prend une matrice métallique contenant une matière abrasable

et/ou porosité intentionnelle La caractéristique distinc-

tive dans le schéma à trois couches est la présence d'une couche intermédiaire intentionnelle Selon une approche à trois couches, la couche intermédiaire est moins abrasable que la couche abrasable du fait qu'elle contient une 9 -

quantité réduite de matière abrasable et/ou porosité Se-

lon une autre approche à trois couches, la couche intermédiaire contient une addition délibérée de matière abrasive, mais en valeur moindre que celle présente dans la couche interne Finalement il est possible de produire un système de joint à trois couches avec une couche intermédiaire o la composition de l'abrasif et

de la matière abrasable varie continuellement avec la cou-

che intermédiaire.

Il est possible d'augmenter le nombre de

couches avec chaque couche ayant une composition légè-

rement différente de celle des couches voisines, selon le schéma général o on doit avoir une quantité d'abrasif élevé à l'intérieur du joint O une quantité de matière abrasable érevée à l extérieur du joint, à la fois la teneur en abrasif et en matière abrasable variant au travers de l Vépaisseur du joint Dans le cas limite, les teneurs en abrasif et matière abrasable peuvent varier continuellement au travers de l'épaisseur du joint ce qui résulte en un joint à composition variant d'une matière continue. L'invention peut être mieux comprise en se référant & l'exemple suivant qui est prévu dans un but

illustratif plutôt que limitatif.

Exemple

Des échantillons simulant une pale de compres= seur et carter (comme il est montré dans la figure 2 commentée précédemment) ont été fabriqués et testéso Le segment de carter a été réalisé en alliage de titane AMS 4911, et la pale a été réalisée en alliage de titane AMS 4928 Le segment de carter comportait une rainure

étroite correspondant au parcours-de frottement projeté.

On a enduit la partie rainurée du segment du carter d'un revêtement selon 1 invention comme suit: 1 Un revêtement abrasif de 88 % WC, 12 % Co,

0,025 cm duépaisseur, a été déposé à l'arc plasma en uti-

- sant un chalumeau de plasma du type METCO 7 MB fonctionnant à 40 volts, 800 amps, maintenu à 10,16 cm du carter Une poudre à dimensions de particules de 0,042 à 0,74 mm a été déposée pendant que le chalumeau se déplaçait à une vites- se de 25,4 cm par minute par rapport au carter; 2 Un revêtement abrasable en nichrome poreux ( 80 % Ni, 20 % Cr), de 0,19 cm d'épaisseur a été déposé à l'arc plasma en utilisant un chalumeau de plasma METCO 7 MB fonctionnant à 38 volts, 500 amps, maintenu à 11,4 cm du carter, Un mélange de poudre de 7 parties de chrome à deux parties de polyester était déposé et on a brulé le polyester pour l'éliminer en utilisant un traitement de deux heures à 5380 C dans l'air La structure résultante

contenait environ 50 % de porosité.

Le joint ainsi appliqué comprenait un revête-

ment abrasif de 0,03 cm d'épaisseur et un revêtement

abrasable d'environ 0,19 cm d'épaisseur.

Cette combinaison de joint a été testée en déplaçant une pale (non enduite) à une vitesse de 20 116,8 m par minute dans un parcours parallèle à la rainure enduite tout en faisant avancer le joint vers le revêtement à une vitesse de 1,52 cm par minute jusqu'à ce qu'un contact ait été obtenu On a poursuivi le mouvement relatif jusqu'à ce que la pale ait progressé de 0,84 cm dans le substrat

enduit On a périodiquement évalué l'état de l'échantil-

lon On a observé que lorsque l'échantillon de pale progressait dans la partie de joint abrasable, le rapport d'usure de pale à usure de joint était d'environ 10:90 mais que lorsque l'échantillon de pale rencontrait la partie abrasive, le rapport d'usure pale: joint changeait jusqu'à 99:1 et il ne se produisait aucune usure directe titane à titane c'est-à-dire que la pale non-enduite était abrasée

et l'intégrité du carter enduit d'abrasif était maintenue.

Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées aux appareils et procédés qui viennent d'être il - décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans

sortir du cadre de l'invention.

I 12 -

Claims (8)

Revendications

1 Appareil comprenant des éléments disposés très près l'un de l'autre entre lesquels il se produit et un mouvement relatif et entre lesquels un jeu/un mouvement de fluide doit être réduit au minimum tout en évitant un contact par frottement entre ces éléments, caractérisé par le perfectionnement qui consiste à réaliser sur un des éléments un revêtement d'étanchéité composite qui comprend une couche abrasive sur cet élément et une couche abrasable sur cette couche abrasive, les épaisseurs des couches abrasive et abrasable et le jeu entre les éléments

étant tels qu'au cours d'un fonctionnement normal, l'élé-

ment non enduit rencontre et use la couche abrasable sans être usé significativement lui-même, alors que sous des

conditions de fonctionnement anormales, l'élément non-

enduit rencontre et est usé par la couche abrasive et

ne vient pas directement en contact avec l'élément enduit.

2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'un des éléments est fabriqué en

alliage de titane.

3 Appareil selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 et 2, caractérisé en ce que les-deux éléments

sont fabriqués en alliage de titane.

4 Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 3, caractérisé en ce que la couche abrasive

comprend, comme premier élément abrasif une matière choi-

sie dans le groupe consistant en carbure de tungstène, carbure de chrome, oxyde l'aluminium, nitrure de silicium,

carbure de silicium et des mélanges de ceux-ci.

, Appareil selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce qu'elle comprend, en outre, un revêtement de liant métallique entre l'élément de

substrat et la couche abrasive.

6 Appareil selon l'une quelconque des revendi-

8 ations 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche intermédiaire entre la couche abrasive et la 13 -

couche abrasable.

7 Appareil de machine rotative caractérisé en ce qu'il comprend un élément stationnaire, un revêtement abrasif fixé sur l'élément stationnaire, un revêtement abrasable fixé sur le revêtement abrasif et un élément mobile écarté de telle façon qu'en cours de fonctionnement normal, cet élément mobile interréagit avec-cette couche

abrasable alors qu'en fonctionnement anormal, cet élé-

ment mobile interréagit avec ce revêtement abrasif et

n'interréagit pas avec l'élément stationnaire.

8 Procédé pour réaliser simultanément une étanchéité au fluide entre deux éléments d'un appareil en mouvement relatif l'un par rapport a l'autre g tout en évitant des interactions par frottement nuisibles entr eux caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer un revêtement abrasif adhérant sur un élément, appliquer un revêtement abrasable adhérant sur le revêtement abrasif de sorte qu'en fonctionnement normal, l'étanchéité est réalisée

par l'interaction de l'élément non-enduit avec le revête-

ment abrasif alors qu'une interaction de frottement nuisi-

ble entre les éléments est empêché par le revêtement abrasif.