FR2978987A1 - Carter de compresseur haute-pression comportant une paroi interne resistante au feu de titane - Google Patents

Carter de compresseur haute-pression comportant une paroi interne resistante au feu de titane Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un carter (20) de compresseur (10) haute-pression comportant une partie constituant la structure porteuse (24) de rangées d'aubes fixes (12) et une paroi interne (26) délimitant le contour externe d'une veine (22) de compresseur (10) dans laquelle sont montées en rotation des rangées d'aubes mobiles (14), dans lequel la structure porteuse (24) est réalisée à base de titane et la paroi interne (26) est réalisée en matériau incombustible au titane en combustion, caractérisé en ce que la structure porteuse (24) comporte des inserts (28) de renfort réalisés en matériau composite à matrice (32) à base de titane.

Description

CARTER DE COMPRESSEUR HAUTE-PRESSION COMPORTANT UNE PAROI INTERNE RESISTANTE AU FEU DE TITANE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention propose un carter de compresseur haute-pression comportant une structure porteuse d'aubes fixes qui est réalisée en titane et une paroi interne en matériau incombustible au titane en combustion.
L'invention propose plus particulièrement un carter de compresseur haute-pression comportant des moyen limitant la masse de la structure porteuse, pour réduire le poids total du carter. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans une turbomachine d'aéronef, l'utilisation du titane, notamment pour réaliser le compresseur de la turbomachine, permet de limiter le poids de la turbomachine, tout en conservant de bonnes propriétés mécaniques de l'appareil.
Les pales du compresseur sont généralement elles aussi réalisées en titane, pour les mêmes raisons. Dans une turbomachine telle qu'un turboréacteur d'avion, les carters de compresseur haute-pression doivent montrer leur capacité à résister au feu dit «feu de titane». Un tel feu de titane provient du fait qu'un frottement non souhaité apparaît entre une pièce mobile, par exemple une aube mobile, en titane du compresseur et une partie fixe en titane du 2 compresseur. Ce frottement non souhaité peut entraîner une surchauffe locale au moins de l'une des parties en contacts : aube mobile ou partie fixe, qui se traduit par une combustion volumique de l'alliage de titane.
La température du matériau liquide (titane ou alliage de titane) en combustion peut atteindre les 2700°c soit localement au niveau de la zone de frottement, soit à l'intérieur des particules de titane en combustion qui sont projetées dans la veine du compresseur depuis la zone de frottement. En conséquence, les points de fusion de la matière environnante mise en contact avec le titane liquide sont dépassés, ce qui génère ainsi du combustible à la structure.
Ce phénomène est entretenu par des pressions et des débits d'oxygène importants, qui sont rencontrés dès l'entrée de veine pour des compresseurs haute pression modernes. Ainsi, dans le cas de turboréacteurs nouvelles génération nécessitant des fortes pressions à l'entrée du compresseur axial haute-pression, le risque potentiel de frottement pouvant conduire à la combustion de titane existe, par exemple entre la première rangée d'aubes fixes et le bec formé par la partie inférieure des aubes mobiles. Par la suite, les particules en combustion peuvent être projetées dans la veine de compresseur et atteindre le carter externe. Les conséquences d'un tel feu de titane sont d'autant plus dommageables que le feu de titane ne peut s'éteindre que de lui-même lors du fonctionnement d'un turboréacteur en fonctionnement. 3 Pour protéger les carters de compresseur des feux de titane, il a été proposé de réaliser la paroi interne du carter, qui délimite le contour externe de la veine du compresseur, en un élément formant bouclier en alliage (s) réfractaire (s) et/ou incombustible au titane en combustion. Cet élément est par exemple réalisé en acier. Les documents FR-2.935.625, FR-2.935.624, EP-0.479.679 et FR-2.935.623 décrivent de tels carters de compresseurs comportant une paroi interne réalisée en matériau incombustible au titane en combustion. Cependant, une telle solution implique la présence de moyens de solidarisation de la paroi interne du carter avec la structure porteuse et aussi cela implique d'augmenter le volume et la masse de la structure porteuse, pour que les caractéristiques de résistance mécanique de celle-ci soient satisfaites. L'invention a pour but de proposer un carter de compresseur haute pression dont la masse est limitée, tout en conservant les fonctions structurales d'un carter selon l'état de la technique. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un carter de compresseur haute-pression comportant une partie constituant la structure porteuse de rangées d' aubes fixes et une paroi interne délimitant le contour externe d'une veine de compresseur dans laquelle sont montées en rotation des rangées d'aubes mobiles, dans lequel la structure porteuse est réalisée à base de 4 titane et la paroi interne est réalisée en matériau incombustible au titane en combustion, caractérisé en ce que la structure porteuse comporte des inserts de renfort réalisés en matériau composite à matrice à base de titane. De tels inserts permettent d'augmenter les propriétés mécaniques de la structure porteuse, ce qui permet d'utiliser une quantité de matière limitée, et par conséquent de réduire la masse globale de la structure porteuse et du carter. De préférence, les inserts consistent en des fils enduits constitués d'une armature centrale en carbure de silicium entourée d'une matrice métallique en titane.
De préférence, les inserts forment au moins un bobinage coaxial à l'axe principal du compresseur, qui est agencé radialement à l'extérieur de la paroi interne. De préférence, les inserts sont solidarisés entre eux et à la structure porteuse par soudage par diffusion. L'invention concerne aussi un compresseur axial haute-pression comprenant, en tant que stator, un carter selon l'une quelconque des revendications précédentes. L'invention concerne aussi un moteur d'aéronef comprenant un compresseur selon la revendication précédente. L'invention concerne aussi un procédé de réalisation d'un carter selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant à mettre en place les renforts et la paroi interne sur la structure porteuse et une étape de solidarisation simultanément des inserts et de la paroi interne sur la structure porteuse. 5 De préférence, l'étape de solidarisation est une étape de compactage isostatique à chaud. De préférence, la température de compactage est comprise entre 800°C et 950°C. De préférence, les inserts sont mis en 10 place sur la structure porteuse par bobinage sur la structure porteuse. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description 15 détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un compresseur axial haute-pression 20 d'un turboréacteur d'avion selon l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique en section axiale d'un carter comportant des inserts selon l'invention ; - la figure 3 est une section d'un fil 25 enduit constitué d'une armature centrale en carbure de silicium entourée d'une matrice métallique en titane. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On a représenté à la figure 1 un compresseur haute-pression 10 d'un turboréacteur de 30 nouvelle génération, c'est-à-dire à fortes pressions à 6 l'entrée. Ce type de compresseur 10 comprend une première rangée d'aubes fixes 12 de redressement du gaz en amont d'une première rangée d'aubes mobiles 14. Toutes les aubes 12, 14 sont réalisées en titane ou alliage de titane. Lors du fonctionnement du turboréacteur, il subsiste un risque de contact sévère par frottement entre le pied 16 des aubes fixes 12 et le pied 18 des aubes mobiles 14 dans la zone Z illustrée en figure 1.
Ce risque de contact sévère par frottement peut conduire à la mise en combustion du titane dans cette zone Z. Il faut alors éviter que des particules de titane en combustion viennent propager la combustion au carter externe 20. En effet, de telles particules peuvent être expulsées dans la veine des gaz 22 et en conséquence venir en contact avec le carter externe 20. Le risque de contact est plus grand avec la partie amont de celui-ci 20 qui s'étend sur une certaine longueur L. Cette longueur L est la distance entre deux points dont l'un marque l'inversion des pentes dans le profil du carter et l'autre est un plan de joint avec la structure aval du compresseur HP qui devient une structure en superalliage en veine gazeuse. Si ce carter externe 20 est constitué exclusivement en titane ou en alliage de titane, un feu de titane peut donc être créé et donc se propager à l'ensemble des autres pièces constituant le turboréacteur. Pour éviter cela, le carter externe 20 est réalisé en deux parties 24, 26, dont une partie 24, qui forme la structure porteuse des aubes fixes 12, est une 7 pièce en titane ou alliage de titane et dont l'autre partie 26, qui forme une paroi interne délimitant le contour externe de la veine 22, est réalisée en un matériau tel que par exemple en acier ou alliage (s) réfractaire (s) formant des boucliers et incombustible au titane en combustion. La paroi interne 26 est fixée à la structure porteuse par tout moyen connu, par exemple par Compactage Isostatique à Chaud.
La structure porteuse 24 est réalisée en titane ou en alliage de titane. Un tel matériau est relativement léger. Cependant, du fait de la réalisation en deux parties du carter 20, le dimensionnement de la structure porteuse est relativement important. Afin de réduire les dimensions de la structure porteuse 24, et par conséquent son poids, la structure porteuse 24 comporte des inserts de renfort 28 réalisés en matériau composite à matrice à base de titane. Comme on peut le voir plus en détail à la figure 3, les inserts comportent une armature centrale 30 en céramique, telle que par exemple du carbure de silicium (SiC), qui est entourée d'une matrice métallique 32 en titane. Par exemple, la matrice métallique 32 est obtenue en phase vapeur sous champs électrique, à partir de poudres métalliques ou trempé dans un bain de métal liquide 34 tel que représenté à la figure 3.
Un insert 28 consiste alors en un enroulement de fil enduit dont les propriétés 8 mécaniques sont particulièrement importantes dans le sens axial du fil. Les inserts 28 sont ainsi mis en oeuvre de manière à former au moins un bobinage 36 qui est incorporé à la structure porteuse 24. Chaque bobinage 36 est coaxial à l'axe principal du carter 20. Un tel bobinage 36 permet de renforcer la structure porteuse 24 du carter 20.
Par conséquent, la réalisation d'un carter 20 comportant un tel bobinage 36 requiert une quantité moins importante de titane pour réaliser la structure porteuse 24, la masse du carter 20 est par conséquent réduite par rapport à un carter selon l'état de la technique antérieure. Selon le mode de réalisation représenté, le carter 20 comporte un seul bobinage 36. Il sera compris que l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation et que le carter 20 peut comporter plusieurs bobinages 36 répartis dans la structure porteuse 24. Selon un autre aspect de l'invention, le procédé de fabrication du carter 20 consiste à solidariser les inserts 28 lors de l'opération de compactage isostatique à chaud par laquelle la paroi intérieure 26 est solidarisée à la structure porteuse 24. Ainsi, cela permet de réduire le nombre d'étapes mises en oeuvre pour réaliser le carter 20.
Selon une telle opération de compactage, la température est contrôlée de manière à permettre le 9 compactage des fils enduits et leur soudage par diffusion au sein de la structure porteuse 24 en titane du carter 20 et de manière à permettre l'assemblage de la structure porteuse 24 en titane avec la paroi interne 26 en acier par la création d'une liaison mécanique à l'interface entre la structure porteuse 24 et la paroi interne 26, sans développer de phases réactives entre les deux matériaux à ce niveau. De préférence, la température de compactage doit être supérieure à 800°C pour que le compactage des inserts 28 entre eux puisse avoir lieu, et elle doit être inférieure à 950°C pour limiter les réactions titane / acier à l'interface entre la structure porteuse 24 et la paroi interne 26.15

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Carter (20) de compresseur (10) haute-pression comportant une partie constituant la structure porteuse (24) de rangées d'aubes fixes (12) et une paroi interne (26) délimitant le contour externe d'une veine (22) de compresseur (10) dans laquelle sont montées en rotation des rangées d'aubes mobiles (14), dans lequel la structure porteuse (24) est réalisée à base de titane et la paroi interne (26) est réalisée en matériau incombustible au titane en combustion, caractérisé en ce que la structure porteuse (24) comporte des inserts (28) de renfort réalisés en matériau composite à matrice (32) à base de titane.
  2. 2. Carter (20) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les inserts (28) consistent en des fils enduits constitués d'une armature (38) centrale en carbure de silicium entourée d'une matrice (32) métallique en titane.
  3. 3. Carter (20) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les inserts (28) forment au moins un bobinage (36) coaxial à l'axe principal du compresseur (10), qui est agencé radialement à l'extérieur de la paroi interne (26).
  4. 4. Carter (20) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les inserts (28) sont solidarisés 11 entre eux et à la structure porteuse (24) par soudage par diffusion.
  5. 5. Compresseur (10) axial haute-pression (10) comprenant, en tant que stator, un carter (20) (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  6. 6. Moteur d'aéronef comprenant un compresseur (10) selon la revendication précédente.
  7. 7. Procédé de réalisation d'un carter (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que il comporte une étape consistant à mettre en place les renforts et la paroi interne (26) sur la structure porteuse (24) et une étape de solidarisation simultanément des inserts (28) et de la paroi interne (26) sur la structure porteuse (24).
  8. 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de solidarisation est une étape de compactage isostatique à chaud.
  9. 9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la température de compactage est comprise entre 800°C et 950°C.
  10. 10. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les inserts (28) sont mis en 12 place sur la structure porteuse (24) par bobinage (36) sur la structure porteuse (24).5
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5470524A (en) * 1993-06-15 1995-11-28 Mtu Motoren- Und Turbinen-Union Muenchen Gmbh Method for manufacturing a blade ring for drum-shaped rotors of turbomachinery
WO2010026182A1 (fr) * 2008-09-05 2010-03-11 Snecma Procede de fabrication d'une piece thermomecanique de revolution circulaire comportant un substrat porteur a base de titane revetu d'acier ou superalliage, carter de compresseur de turbomachine resistant au feu de titane obtenu selon ce procede

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