FR2979664A1 - Paroi stator de turbomachine recouverte d'un revetement abradable a faible rugosite aerodynamique - Google Patents
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Abstract
Partie annulaire de stator de turbomachine montée en regard d'une pluralité d'aubes rotatives (18), ladite partie annulaire étant munie d'un revêtement en matériau abradable comportant des porosités (14) et ledit revêtement abradable est lui-même recouvert d'une fine couche usinée d'un matériau réfractaire sans porosités (16).
Description
Arrière-plan de l'invention L'invention concerne les parois stator de turbomachines munies de revêtements abradables, notamment pour moteurs d'avion, tels que carters de compresseurs et anneaux de turbine, et en particulier les carters de compresseurs haute pression et les anneaux de turbine haute pression. Un anneau de turbine ou un carter de compresseur est formé d'une pluralité de secteurs de paroi jointifs qui entourent un ensemble d'aubes rotatives mues par les gaz de combustion. Afin d'assurer la tenue de ces différents secteurs de paroi, dont la partie structurale est métallique, aux températures élevées rencontrées en fonctionnement, il est connu de les munir d'une protection thermique du côté de leurs surfaces exposées aux gaz de combustion. Typiquement, la protection thermique peut être constituée par une couche en céramique ou une composition métallique réfractaire formée habituellement par dépôt physique, par exemple par projection thermique telle que dépôt par plasma. En outre, afin d'assurer le meilleur rendement possible de la turbomachine, il est impératif d'éviter ou au moins de limiter au minimum des fuites de gaz entre les sommets des aubes et la surface en regard du carter de compresseur ou de l'anneau de turbine, lesquelles fuites ne contribuent pas à la performance de la turbomachine. La gestion des jeux et donc des étanchéités est ainsi un paramètre d'optimisation majeur sur les turbomachines. Or, la recherche d'une absence de jeu ou d'un jeu minimum fait que des contacts peuvent être inévitables entre les sommets des aubes et le matériau situé en vis-à-vis. En raison de la dureté habituelle de ce matériau, de tels contacts peuvent être destructeurs vis-à-vis des sommets d'aubes. Afin de résoudre ce problème, le matériau doit donc pouvoir s'endommager facilement (caractère abradable) lors de ces contacts avec 35 les aubes tout en résistant à l'érosion et à la température de fonctionnement de la turbomachine, voire aux divers impacts susceptibles de survenir lors du vol de l'avion, comme des impacts de glace. Or aujourd'hui, les meilleures solutions abradables à hautes températures (>600°C) reposent uniquement sur des matériaux contenant des porosités, plus particulièrement de grosses porosités (>20pm en moyenne). L'inconvénient est que de telles grosses porosités se traduisent par de forte rugosité de surface, laquelle entraîne une diminution importante des performances aérodynamiques de la turbomachine du fait de l'augmentation de la couche limite dans la veine moteur qu'elle engendre. L'optimisation continue des rendements des turbomachines oblige donc au développement de nouvelles solutions abradables à haute température de faible rugosité. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un stator dont le matériau abradable répond aux contraintes de température et de rugosité aérodynamique souhaitées. Ce but est atteint grâce à une partie annulaire de stator de turbomachine montée en regard d'une pluralité d'aubes rotatives, ladite partie annulaire étant munie d'un revêtement en matériau abradable 20 comportant des porosités, caractérisée en ce que ledit revêtement abradable est lui-même recouvert d'une fine couche usinée d'un matériau réfractaire sans porosités. Ainsi, l'adjonction d'une couche de faible épaisseur ne contenant pas de charge porogène sur une couche abradable en comportant permet 25 d'apporter à cette dernière des qualités aérodynamiques dont elle était initialement dépourvue à sa température de fonctionnement. Selon une disposition avantageuse, ladite couche de matériau additionnelle présente après usinage une épaisseur inférieure à 0,3 mm. De préférence, ladite couche de matériau additionnelle est 30 déposée par projection thermique ou tout autre procédé de dépôt approprié et après son dépôt elle peut être usinée par rectification ou tout autre procédé d'usinage approprié. Avantageusement, ledit matériau formant ladite couche additionnelle peut être un alliage métallique NiAI, une céramique ou un 35 superalliage de type MCrAIY avec M un métal choisi parmi : Ni, Co, NiCo ou CoNi. 2 9 79664 3 L'invention concerne également tout stator de turbomachine comportant une partie annulaire telle que précitée. Brève description des dessins 5 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures - la figure 1 est une vue en coupe d'une partie annulaire de 10 stator de turbomachine selon l'invention avant sa mise en fonctionnement ; - les figures 2 et 3 sont des vues illustrant la structure métallurgique de la partie annulaire de la figure 1 au cours de sa fabrication ; 15 - la figure 4 est une vue en coupe d'une partie annulaire de stator de turbomachine en fonctionnement selon l'invention ; et - la figure 5 est une vue illustrant la structure métallurgique de la partie annulaire de la figure 1 à l'issue de son fonctionnement.
Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 1 représente en coupe par exemple une partie d'anneau de turbine haute pression de turbomachine formé par la mise bout à bout en direction circonférentielle d'une pluralité de secteurs. L'anneau entoure un ensemble tournant formé d'une pluralité d'aubes (représentée par la référence 18 sur la figure 4), le jeu entre la surface interne de l'anneau et les sommets des aubes étant nul ou quasi-nul. Cette partie annulaire de stator comprend un support structural 10 muni du côté interne (par rapport à la circulation des gaz de combustion) successivement d'une sous-couche d'accrochage 12, d'un 30 revêtement de protection thermique abradable 14 comportant des porosités et dans lequel les sommets des aubes peuvent partiellement pénétrer sans subir d'usure importante et d'une couche additionnelle d'un matériau réfractaire métallique ou céramique sans porosités 16. Le support structural 10 est en un matériau métallique capable 35 de supporter des températures relativement élevées, par exemple en superalliage à base Ni ou Co.
La sous-couche 12 est réalisée classiquement par un alliage métallique tel que NiAI, NiCrAI ou MCrAIY (M = Ni, Co, NiCo ou CoNi) ou par tout autre revêtement utilisé habituellement comme sous-couche d'accrochage.
Le revêtement de protection thermique abradable 14 est réalisé en un matériau poreux (Ra>10pm) ayant une tenue satisfaisante aux températures élevées. Différents matériaux peuvent être envisagés selon les températures rencontrées en fonctionnement. Toutefois, les solutions actuelles reposent essentiellement sur un mélange « alliage métallique structurant / Charge porogène », l'alliage métallique structurant étant le plus souvent une base Ni ou Co (par exemple Metco2043) permettant une tenue en température au-delà de 600°C (une céramique réfractaire est toutefois aussi envisageable) et la charge porogène un polyester ou un matériau céramique tel que le Nitrure de Bore hexagonal, la Bentonite (argile hydratée) ou encore le Graphite (en considérant alors celui-ci comme une céramique). Le matériau du revêtement abradable 14 est déposé sur le support structural métallique 10 par un procédé de dépôt physique, par exemple par projection thermique de poudre en utilisant les techniques connues de dépôt par plasma. L'épaisseur de ce matériau est de préférence un peu supérieure à la profondeur maximale estimée de pénétration des aubes dans le matériau abradable lors d'une interférence entre aubes rotatives et partie de stator, par exemple de l'ordre de 1 mm. La couche additionnelle du matériau sans porosité 16, c'est-à- dire dense ou dure permettant le bouchage des porosités du revêtement abradable 14, est une couche mince, par exemple d'une épaisseur inférieure à 0,5 mm, faite soit d'un alliage métallique, tel que NiAI ou avantageusement un superalliage de type MCrAIY (M étant un métal choisi parmi Ni, Co, NiCo ou CoNi), soit d'une céramique (à base ZrO2 par exemple). Comme pour le matériau de revêtement abradable, elle est déposée par un procédé de dépôt physique, par exemple par projection thermique de poudre en utilisant les techniques connues de dépôt par plasma. On notera que ce dépôt ne nécessite pas de préparation particulière de la couche support puisque celle-ci est a priori suffisamment rugueuse.
Mais ensuite, une fois déposée, elle est aussi usinée pour obtenir la rugosité aérodynamique souhaitée (typiquement un Ra<1pm). Différents procédés d'usinage connus peuvent être utilisés tels que rectification, fraisage, électro-érosion, électrochimie, usinage chimique, usinage par laser, jet d'eau abrasif, usinage ultrasonique. Le but est d'enlever la quasi-totalité de la couche déposée excepté une très fine couche d'une épaisseur comprise entre 0.01 mm (ou une valeur inférieure suffisante pour boucher les porosités du revêtement abradable 14) et 0.3 mm (préférentiellement inférieure à 0,1 mm). Cette mince couche résultante 16 permet d'obtenir le Ra désiré tout en étant suffisamment fine pour ne pas altérer le caractère abradable du revêtement 14 qu'elle recouvre ou endommager le sommet des aubes. Pour ce faire, l'usinage s'effectue par exemple avec l'aide d'un rugosimètre permettant de mesurer la rugosité à chaque passe d'usinage. En effet, dans un premier temps, le Ra va diminuer puisqu'il attaque une couche dense. Ensuite, dans un deuxième temps, le Ra va se stabiliser dans le coeur de la couche. Enfin, dans un troisième temps, le Ra va augmenter en arrivant à proximité de l'abradable poreux signe que l'usinage doit être stoppé. Ainsi, en établissant, lors de la mise au point initiale, un graphe « Ra / profondeur de passe », l'opérateur disposera d'une courbe de référence lui permettant de se repérer lors des usinages suivants. Pour la mise en oeuvre de l'invention, des essais ont été réalisés au moyen d'un rotor comportant trois extrémités d'aubes en INC0718 réparties à sa périphérie, avec une vitesse circonférentielle de 210 m/s, une vitesse de pénétration dans le matériau de 0,15 mm/s et une profondeur totale de pénétration de 0,5 mm. Le matériau abradable utilisé est le Metco2043 (CoNiCrAlY BN/polyester) pyrolyse et usiné, d'épaisseur de l'ordre de 1 mm et ayant un Ra de l'ordre de 12 pm. Il adhère à un support métallique en alliage Ni au moyen d'une sous-couche de NiAI de 0,12 mm d'épaisseur. La couche de dépôt additionnelle est un superalliage NiCrAIY d'épaisseur initiale de 0,2 mm et usiné avec une épaisseur comprise entre 0,01 mm et 0,1 mm pour obtenir un Ra maximal de l'ordre de 0,80pm. Les résultats de ces essais montrent clairement l'abradabilité de cette couche additionnelle sans trace d'usure supplémentaire sur le sommet des aubes ni échauffement visible.
Ainsi, l'invention permet donc d'assurer une surface lisse sur l'ensemble de la pièce. Après une touche avec une partie mobile, la couche dure est enlevée et la rugosité redevient importante sous la zone de contact. Mais la rugosité en partie amont et aval reste faible, ce qui permet de garder un gain en performance aérodynamique. De plus, l'apport d'une couche superficielle continue contribue à une amélioration de la tenue en oxydation car elle protège l'abradable poreux qui présente une surface spécifique très importante aux agents oxydants. Et de par sa faible rugosité, la tenue en érosion est également améliorée par rapport à la solution classique qui du fait de la nature poreuse de l'abradable présente une tenue en érosion relativement faible.
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Partie annulaire de stator de turbomachine montée en regard d'une pluralité d'aubes rotatives (18), ladite partie annulaire étant munie d'un revêtement en matériau abradable comportant des porosités (14), caractérisée en ce que ledit revêtement abradable est lui-même recouvert d'une fine couche usinée d'un matériau réfractaire sans porosités (16).
- 2. Partie annulaire de stator de turbomachine selon la 10 revendication 1, caractérisée en ce que ladite couche de matériau additionnelle présente après usinage une épaisseur inférieure à 0,3 mm.
- 3. Partie annulaire de stator de turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite couche de matériau 15 additionnelle est déposée par projection thermique ou tout autre procédé de dépôt approprié.
- 4. Partie annulaire de stator de turbomachine selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite couche de matériau 20 additionnelle est après son dépôt usinée par rectification ou tout autre procédé d'usinage approprié.
- 5. Partie annulaire de stator de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite couche 25 de matériau additionnelle est une couche d'alliage métallique NiAI.
- 6. Partie annulaire de stator de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite couche de matériau additionnelle est une couche de céramique. 30
- 7. Partie annulaire de stator de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite couche de matériau additionnelle est une couche de superalliage de type MCrAlY avec M un métal choisi parmi : Ni, Co, NiCo ou CoNi. 35
- 8. Stator de turbomachine comportant une partie annulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
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