FR2664647A1 - Distributeur, notamment pour turbine, a aubes fixes en materiau composite thermostructural, et procede de fabrication. - Google Patents
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Abstract
Les aubes (10) sont en matériau composite thermostructural et ont des talons intérieur (14) et extérieur (16) asymétriques, de sorte que l'un au moins des talons d'une aube s'appuie sur l'extrados (12) ou l'intrados (12a) d'une aube voisine. En outre, chacun des talons (14, 16) de chacun des talons (14, 16) de chaque aube est en appui sur le carter adjacent par une partie seulement de sa surface externe, de manière à autoriser une flexion du talon sous l'effet d'une dilatation différentielle entre l'aube et le carter.
Description
Distributeur, notamment pour turbine, à aubes fixes en matériau composite
thermostructural, et procédé de fabrication La présente invention concerne un aubage fixe de
distributeur de turbine ou de compresseur à gaz.
Un distributeur de turbine comprend un ensemble d'aubes
fixes disposées entre un carter intérieur et un carter extérieur.
Les figures 1 et 2 illustrent un distributeur monobloc avec des
aubes 1 entre des carters intérieur 2 et extérieur 3.
Habituellement, les technologies utilisées pour la fabrication d'un distributeur de turbine sont la fonderie et la forge de précision, que ce soit pour fabriquer une pièce monobloc,
ou pour fabriquer un distributeur à aubes rapportées.
Pour assurer un fonctionnement à des températures élevées, il peut être envisagé de remplacer les aubages traditionnels en métal ou alliage métallique par des aubages en
matériau réfractaire.
La réalisation des aubes en céramique massive, notamment en céramique frittée est difficile à envisager En effet, en raison de leur nature fragile, les céramiques frittées ont généralement des tenues aux chocs thermiques et des caractéristiques mécaniques limitées Par conséquent, des problèmes difficiles à résoudre seraient en particulier rencontrés pour réaliser un montage des aubes entre les carters intérieur et extérieur évitant l'application sur les aubes de toute contrainte
due à une dilatation différentielle.
Aussi, les inventeurs ont envisagé la réalisation des
aubes en un matériau composite thermostructural.
Les matériaux composites thermostructuraux sont bien connus Ils sont constitués par un renfort fibreux réfractaire, par exemple en fibres de carbone ou en fibres céramiques, densifié par une matrice réfractaire, par exemple également en carbone ou céramique Ces matériaux, en raison de la présence d'une texture de renfort fibreux et de leur nature réfractaire, ont une bonne tenue mécanique, qui les rend aptes à constituer des éléments de structure, et conservent leurs caractéristiques mécaniques jusqu'à des températures élevées, et ne présentent pas le caractère fragile
des céramiques massives.
C'est pourquoi la présente invention a pour but de proposer une architecture de distributeur de turbine ou de compresseur à gaz particulièrement adaptée à la réalisation des
aubes fixes en matériau composite thermostructural.
Ce but est atteint grâce à un distributeur formé d'aubes fixes rapportées disposées entre un carter intérieur et un carter extérieur, chaque aube ayant une partie formant profil aérodynamique et de talons intérieur et extérieur qui définissent les distances entre aubes voisines, aubage dans lequel, conformément à l'invention: le aubes sont en matériau composite thermostructural, les talons intérieur et extérieur de chaque aube sont asymétriques, de sorte que l'un au moins des talons d'une aube s'appuie sur l'extrados ou l'intrados d'une aube voisine, et l'un au moins des talons de chaque aube est en appui sur le carter adjacent par une partie seulement de sa surface externe, de manière à autoriser une flexion sous l'effet d'une
dilatation différentielle entre l'aube et le carter.
Comme expliqué plus loin, le fait de prévoir chaque aube avec des talons asymétriques, c'est-à-dire avec des talons s'étendant chacun d'un seul côté du profil aérodynamique, permet une élaboration relativement aisée du renfort fibreux des aubes, par exemple par formage d'une préforme constituée de strates de tissus ou d'une texture tridimensionnelle telle qu'une texture aiguilletée. En outre, le montage particulier des aubes entre les carters et le comportement élastique en flexion du matériau composite autorisent des dilatations différentielles sans dommage
pour l'aubage.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la
description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif,
en référence aux dessin annexés sur lesquels: la figure 1 illustre très schématiquement une partie d'un distributeur de turbine monobloc de l'art antérieur, la figure 2 est une vue en coupe d'une aube du distributeur de la figure 1, la figure 3 illustre très schématiquement une partie d'un distributeur de turbine selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 4 est une vue schématique en perspective d'une aube du distributeur de la figure 3, la figure 5 est une vue en coupe suivant le plan V de la figure 4 montrant le profil aérodynamique formé par la partie centrale de l'aube de la figure 4, les figures 6 A à 6 C illustrent différentes phases du
processus de réalisation d'une aube en matériau composite thermo-
structural telle que celle de la figure 4, la figure 7 illustre très schématiquement une partie d'un distributeur de turbine selon un autre mode de réalisation de l'invention, et la figure 8 est une vue schématique en perspective
d'une aube du distributeur de la figure 7.
Un premier mode de réalisation d'un distributeur de turbine muni d'aubes fixes et conformes à la présente invention
est illustré par les figures 3 à 5.
Les aubes fixes 10 sont montées entre un carter annulaire intérieur 20 et un carter annulaire extérieur 22 Chaque aube 10 a sensiblement une forme de C avec une partie centrale 12 formant profil aérodynamique prolongée par deux talons asymétriques intérieur 14 et extérieur 16 Les talons 14 et 16 s'étendent d'un seul et même côté de la partie 12, en l'espèce du côté de
l'intrados 12 a.
Les talons 14, 16, d'une aube s'appuient par leurs bords d'extrémité 14 a, 16 a sur l'extradas 12 b d'une aube voisine et définissent par conséquent la distance ou pas entre les aubes, les bords 14 a, 16 a des talons ayant une forme qui épouse celle de
l'extrados 12 b.
Des pions 16 sont logés dans des trous formés dans les faces internes des carters 20 et 22 et font saillie dans l'intervalle entre ceux-ci Les pions 18 forment des butées contre lesquelles s'appuient les talons d'au moins une aube 10, des encoches recevant les pions 18 étant formées à cet effet dans les bords d'extrémité des talons Les pions 18 déterminent l'orientation des aubes 10 dans l'intervalle entre les carters, c'est-àdire essentiellement l'orientation des profils aérodynamiques 12 En outre, les pions 18 assurent un blocage en
rotation des aubes 10 après leur montage.
Les talons 14 et 16 ont des surfaces externes 14 b, 16 b non exactement cylindriques de sorte qu'elles n'épousent pas les faces internes des carters 20, 22 Plus précisément, chaque talon 14, 16 s'appuie sur le carter correspondant par une partie seulement de sa surface externe, au voisinage de son extrémité 14 a, 16 a Ainsi, à partir de la zone d'appui de chaque talon, un jeu J est ménagé entre le talon et la surface du carter adjacent, jeu qui peut croître progressivement jusqu'au niveau de la partie
centrale 12.
Les aubes 10 sont réalisées en un matériau composite thermostructural qui, par sa nature, présente une certaine élasticité en flexion De ce fait, et grâce aux jeux J, les aubes peuvent s'accomoder sans dommage de dilatations différentielles entre elles-mêmes et les carters 20, 22, ceux-ci pouvant être dans le même matériau que les aubes, ou dans un matériau différent, par exemple métallique Au montage, à température ambiante, les talons des aubes 10 sont au mois légèrement précontraints en flexion pour assurer un appui effectif sur les faces internes des carters. En variante, il est possible de ménager un jeu J entre seulement l'un des talons de chaque aube et le carter adjacent, l'autre talon épousant la face interne du carter contre laquelle il
est en appui.
Toujours en variante, les aubes pourront présenter une forme en C avec des talons asymétriques qui s'étendent tous deux du
côté de l'extrados.
Un procédé de fabrication d'aubes 10 telles que celle de la figure 4 sera maintenant décrit en référence aux figures 6 A à 6 C. Une préforme fibreuse 30, destinée à constituer le renfort du matériau composite constitutif des aubes, est par exemple élaborée par empilement de strates de tissu 32 et moulage
des strates dans un outillage 34.
Le tissu dans lequel sont découpées les strates 32 est en fibres réfractaires, par exemple en fibres de carbone ou en fibres
céramiques, telles que des fibres de carbure de silicium.
L'outillage 34 comprend un poinçon 34 a dont la forme est celle de l'intrados 12 a et du profil interne des talons 14, 16 Le poinçon 34 a définit, avec la partie complémentaire 34 b de l'outillage 34 un volume d'épaisseur constante et de section en C
dans laquelle s'inscrit la forme en C d'une aube 10.
La préforme 30 pourra être réalisée autrement que par empilement de strates de tissu, par exemple par mise en forme d'une texture tridimensionnelle ayant l'épaisseur désirée, telle qu'une texture aiguilletée ou une texture obtenue par tissage
tridimensionnel.
La préforme 30, maintenue dans l'outillage est introduite dans une enceinte pour être densifiée par infiltration chimique en phase vapeur d'une matière constituant la matrice du matériau composite, par exemple du carbone ou une céramique, telle que du
carbure de silicium.
Les procédés d'infiltration chimique en phase vapeur de carbone ou de carbure de silicium sont bien connus de sorte qu'il
n'est pas nécessaire de les décrire ici en détail.
L'infiltration peut être réalisée en plusieurs phases, dont une première phase au cours de laquelle l'infiltration est réalisée seulement jusqu'à obtenir une liaison entre les fibres de la préforme qui soit suffisante pour que celle-ci conserve sa forme après retrait de l'outillage Après cette première phase de consolidation, l'infiltration chimique en phase vapeur peut être poursuivie sur la préforme sortie de l'outillage jusqu'à obtenir
une pièce densifiée 40 (figure 6 B).
Après densification, un usinage est nécessaire au moins pour former l'extrados, comme le montre, en coupe, la figure 6 C, ainsi que pour former les surfaces externes des talons, afin de ménager le jeu J, et pour former les bords extrêmes des talons, afin de leur donner une forme correspondant à celle de l'extrados
sur lequel ils sont destinés à s'appuyer.
Les aubes peuvent ainsi être fabriquées une par une depuis l'élaboration de la préforme jusqu'à la densification et
l'usinage final.
En variante, il est possible de réaliser un profilé densifié de longueur correspondant à plusieurs aubes Le profilé
est alors découpé avant usinage des aubes.
La définition des aubes avec des talons asymétriques permet une réalisation aisée de la préforme fibreuse pour former un profilé d'épaisseur constante, avec une continuité des strates
de tissu formant le renfort.
Il en serait différemment pour des aubes ayant des talons symétriques, par exemple des aubes en forme de I, pour lesquelles
la réalisation de la préforme serait notablement plus complexe.
Un autre mode de réalisation d'un distributeur de turbine selon l'invention est illustré par les figures 7 et 8 Des mêmes références désignent les éléments de ce distributeur semblables à
ceux du distributeur des figures 3 à 5.
Le distributeur de turbine des figures 7 et 8 se
distingue de celui des figures 3 à 5 par la forme des aubes 50.
Celles-ci ont en effet une forme en Z avec une partie centrale 52 constituant le profil aérodynamique semblable à la partie centrale 12 des aubes 10 et deux talons asymétriques intérieur et extérieur 54, 56 qui s'étendent respectivement du côté de l'extrados 52 b et
du côté de l'intrados 52 a.
Bien entendu, les dispositions des talons 54 et 56
pourraient être inversées.
Les talons 54 et 56 d'une aube 50 s'appuient par leurs bords d'extrémité 54 a et 56 a contre, respectivement, l'intrados d'une des aubes voisines et l'extrados de l'autre aube voisine, et
définissent la distance entre les aubes.
Des pions 18 déterminent l'orientation des aubes 50 et
bloquent celles-ci en rotation.
Comme le montre la figure 7, les faces externes 54 b, 56 b des talons 54, 56 sont en contact avec les surfaces internes des carters 20, 22 sur une partie seulement de leur surface, afin de ménager des jeux J' Le contact entre les talons et les carters peut dans ce cas être situé quelque peu en retrait des extrémités des talons de sorte que la compensation de dilatation différentielle se fasse au moins en partie par basculement des
talons, et non pas seulement par flexion de ceux-ci.
La fabrication des aubes 50 est réalisée par élaboration d'une préforme fibreuse, densification de celle-ci et usinage final La préforme est, comme précédemment, élaborée par drapage de
strates de tissu et moulage dans un outillage de forme appropriée.
Claims (8)
1 Distributeur, notamment de turbine, formé d'aubes fixes ( 10; 50) rapportées disposées entre un carter intérieur ( 20) et un carter extérieur ( 22), chaque aube ayant une partie ( 12; 52) formant profil aérodynamique et de talons intérieur ( 14; 54) et extérieur ( 16; 56) qui définissent les distances entre aubes voisines, caractérisé en ce que les aubes ( 10; 50) sont en matériau composite thermostructural, les talons intérieur ( 14; 54) et extérieur ( 16; 56) de chaque aube sont asymétriques, de sorte que l'un au moins des talons d'une aube s'appuie sur l'extrados ( 12; 52 b) ou l'intrados ( 12 a; 52 a) d'une aube voisine, et l'un au moins des talons ( 14, 16; 54, 56) de chaque aube est en appui sur le carter adjacent par une partie seulement de sa surface externe, de manière à autoriser une flexion sous
l'effet d'une dilatation différentielle entre l'aube et le carter.
2 Distributeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'appui partiel entre un talon ( 14, 16) d'une aube ( 10) et le carter adjacent ( 20, 22) est réalisé au voisinage de l'extrémité
du talon.
3 Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1
et 2, caractérisé en ce que les talons intérieur ( 14) et extérieur ( 16) de chaque aube ( 10) sont situés d'un même côté de la partie
( 12) formant profil aérodynamique.
4 Distributeur selon l'une quelconque des revendications
1 et 2, caractérisé en ce que les talons intérieur ( 54) et extérieur ( 56) de chaque aube ( 50) sont situés respectivement d'un côté et de l'autre côté de la partie ( 52)formant profil aérodynamique.
Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1
à 4, caractérisé en ce que chaque talon ( 14, 16; 54, 56) d'une aube ( 10; 50) est en appui sur le carter adjacent ( 20, 22) par
une partie seulement de sa surface externe.
6 Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1
à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des pions ( 18) solidaires des carters intérieur ( 20) et extérieur ( 22) et sur lesquels s'appuient les bords des talons ( 14, 16; 54, 56) d'au moins une aube ( 10; 50) afin d'immobiliser les aubes entre les carters
intérieur et extérieur dans des positions voulues.
7 Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1
à 6, caractérisé en ce que les aubes ( 10; 50) sont réalisées en
matériau composite à matrice céramique.
8 Procédé de fabrication d'aubes fixes pour un distributeur
selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce
qu'il comprend les étapes qui consistent à: élaborer une préforme fibreuse en fibres réfractaires dont le profil correspond sensiblement à celui d'une aube à réaliser, densifier la préforme fibreuse par infiltration chimique en phase vapeur d'une matière réfractaire, et usiner la pièce obtenue au moins dans sa partie
destinée à former profil aérodynamique.
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