FR3027959B1 - Protection anti-feu d'une piece en materiau composite d'une turbine a gaz - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une pièce (1) d'un ensemble propulsif à moteur à turbine à gaz, notamment un carter, réalisée dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux (3) densifié par une matrice (2) et une couche de protection (4), conformée pour venir en appui contre une face externe (1a) sensible au feu de la pièce (1), ladite couche de protection comprenant un support (4) poreux formé dans un matériau métallique. Ce matériau peut être un catalyseur de déposition de carbone.
Description
DOMAINE DE L’INVENTION L’invention concerne de manière générale une pièce en matériau composite d’un ensemble propulsif à moteur à turbine à gaz telle qu’un carter de rétention pour soufflante, et son procédé de fabrication associé. Plus précisément, l’invention concerne une pièce comprenant un matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère et sa protection contre le feu.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Un moteur à turbine à gaz comprend généralement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d’échappement des gaz.
Le moteur est logé à l’intérieur d’un carter comprenant plusieurs parties correspondant à différents éléments du moteur. Ainsi, la soufflante est entourée par exemple par un carter de soufflante et comprend au niveau de ses extrémités axiales des brides. Une première bride, dite amont, permet la fixation d'une manche d'entrée d'air au carter, tandis que la deuxième bride, dite aval, permet le raccordement du carter de soufflante avec un carter intermédiaire. Ici, l’amont et l’aval sont définis par le sens d’écoulement des gaz dans la turbine à gaz.
Le moteur peut notamment comprendre une ou plusieurs pièces réalisées dans des matériaux composites, lesdits matériaux composites comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère. C’est en particulier le cas du carter de soufflante. Par exemple, il a été proposé dans le document FR 2 913 053 de former le renfort fibreux par un enroulement en couches superposées sur un mandrin d’une texture fibreuse obtenue par tissage tridimensionnel avec épaisseur évolutive. Cette technique permet en outre d'intégrer un bouclier de rétention au carter par simple augmentation localisée d'épaisseur.
Le renfort fibreux comprend des fibres, notamment en carbone, verre, aramide ou céramique. La matrice quant à elle est typiquement une matrice polymère, par exemple époxyde, bismaléimide ou polyimide.
Toutefois, l’implantation de pièces en matériau composite en zone feu impose de répondre à différentes exigences réglementaires de tenue au feu. Ces exigences incluent d'une part le maintien de propriétés mécaniques de la pièce durant et après le feu et d'autre part l'extinction immédiate de la pièce à la fin de l'événement feu (c’est-à-dire au retrait de la source de chaleur, généralement une flamme). Ainsi, des premiers essais feu effectués sur certains carters de soufflante en matériau composite ont montré que le matériau utilisé n'est pas auto-extinguible (ou ignifugeant) par nature et requiert donc impérativement une protection.
Dans le cas du carter de soufflante, la pièce brute obtenue après densification de la préforme fibreuse est généralement usinée pour obtenir la géométrie finale de la pièce. Par exemple, lors de cet usinage, la zone des brides est amputée de plusieurs millimètres. Des problèmes se posent pour utiliser une protection contre le feu co-injectée avec la préforme si celle-ci serait éliminée dans plusieurs zones et ne protégerait donc pas suffisamment le carter de soufflante contre le feu.
Certaines solutions anti-feu actuellement connues sont capables de couvrir le problème de résistance des structures au feu mais posent des problèmes pour résoudre la problématique d’auto-extinction. Les solutions connues permettant de garantir l’auto-extinction des pièces en matériau composite consistent à isoler suffisamment le matériau pour empêcher son inflammation. Néanmoins, ces solutions sont lourdes à mettre en œuvre et volumineuses, de sorte qu’elles ne sont difficilement envisageables dans un moteur à turbine à gaz.
RESUME DE L’INVENTION
Un objectif de l’invention est donc de garantir l’auto-extinction d’une pièce d’un moteur à turbine à gaz en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère, par exemple d’un carter de soufflante, de manière industrialisable, fiable et efficace, sans dégrader la tenue mécanique de la pièce.
Pour cela, l’invention propose une pièce d’un ensemble propulsif à moteur à turbine à gaz réalisée dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice et une face externe sensible au feu, ladite pièce comprenant notamment un carter. La pièce comprend en outre une couche de protection de la pièce et comprenant un support poreux formé dans un matériau métallique. Ce matériau métallique peut avantageusement assurer une fonction de catalyseur de déposition de carbone.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de la pièce décrite ci-dessus sont les suivantes : - le support compris dans la couche de protection comprend des pores de diamètre compris entre 0.1 mm et 5 mm, de préférence de l’ordre de 1 mm à 3 mm, - le support compris dans la couche de protection présente un pourcentage de vide compris entre 0% et 60%, de préférence entre 5% et 30%, - le support compris dans la couche de protection comprend l’un au moins des éléments suivants : une grille, une plaque perforée, un tissu, - le support compris dans la couche de protection comprend l’un au moins des matériaux métalliques suivants : fer, acier, cobalt, nickel, cuivre, chrome, palladium, - ladite pièce comprend un carter comprenant un fût globalement cylindrique muni d’une bride amont et d’une bride aval au niveau d’une extrémité amont et d’une extrémité aval du fût, respectivement, et la face externe comprend l’une au moins des faces suivantes : une face radialement extérieure du fût, une face amont de la bride amont, une face aval de la bride amont, un sommet de la bride amont, une face amont de la bride aval, une face aval de la bride aval, un sommet de la bride aval, - la couche de protection est fixée sur la face externe à l’aide de la matrice, ladite couche de protection étant appliquée directement contre le renfort fibreux et maintenue dans cette position lors de la densification dudit renfort fibreux par la matrice, et - la couche de protection est fixée sur la face externe de la pièce par collage.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose également un procédé de fabrication d’une pièce comme décrite ci-dessus, comprenant les étapes suivantes : - conformer une couche de protection de sorte que ladite couche de protection présente un profil correspondant à celui de la face externe comprenant un support poreux formé dans un matériau métallique, - placer la couche de protection sur la face externe de la pièce, et - fixer la couche de protection sur la face externe de la pièce.
De manière optionnelle, la pièce peut être obtenue la pièce suivant les sous-étapes suivantes : - former le renfort fibreux sur un mandrin de profil correspondant à celui de la pièce à fabriquer, - densifier le renfort fibreux par injection de la matrice dans ledit renfort fibreux, et dans lequel la couche de protection est placée directement contre le renfort fibreux préalablement à la sous-étape de densification, la fixation de ladite couche de protection étant obtenue par co-injection de la matrice dans le renfort fibreux et dans la couche de protection, au cours de l’étape de densification.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
La figure 1 est une vue partielle en coupe transversale d’un exemple de réalisation d’une pièce d’un ensemble propulsif à moteur à turbine à gaz conforme à l’invention, et
La figure 2 est un organigramme représentant différentes étapes d’un exemple de réalisation du procédé de fabrication de la pièce de la figure 1 conforme à l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE D’UN MODE DE REALISATION
Dans ce qui suit, l’invention va plus particulièrement être décrite dans le cas d’un carter de soufflante d’un moteur à turbine à gaz, réalisé dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux tissé, notamment tridimensionnel, densifié par une matrice polymère. Toutefois, on comprendra que l’invention n’est pas limitée à la réalisation d’un tel carter de soufflante mais couvre également toute pièce d’un ensemble propulsif comprenant un moteur à turbine à gaz réalisée dans un tel matériau composite, le matériau composite pouvant être tissé en trois dimensions ou en deux dimensions. Par exemple il peut s’agir d’une pièce telle qu’un capot dans une nacelle.
Un carter de soufflante 1 comprend un fût 10 globalement cylindrique, présentant une direction principale s’étendant selon un axe longitudinal X sensiblement parallèle à l’écoulement des gaz. Le fût 10 du carter peut présenter une épaisseur variable, comme indiqué dans le document FR 2 913 053, et peut être muni d’une bride amont 12 et d’une bride aval 14 au niveau de ses extrémités amont et aval, respectivement, afin de permettre son montage et sa liaison avec d’autres pièces, dont la manche d’entrée d’air, le carter intermédiaire ou encore la virole annulaire.
La bride amont 12 et la bride aval 14 sont de forme annulaire et s’étendent coaxialement à l’axe longitudinal X du carter de soufflante 1.
La bride amont 12 comprend une face radiale amont 12a (en regard de l’écoulement) et une face radiale aval 12b (en regard de la bride aval 14). La bride amont 12 comprend en outre un sommet annulaire 12c, s’étendant coaxialement à l’axe longitudinal X entre la face amont 12a et la face aval 12b, à distance du fût 10. De façon analogue, la bride aval 14 présente une face radiale amont 14a (en regard de la bride amont 12) et une face radiale aval 14b (opposée à la face amont 14a). La bride aval 14 comprend en outre un sommet annulaire 14c, s’étendant coaxialement à l’axe longitudinal X entre sa face amont 14a et sa face aval 14b, à distance du fût 10.
Ici, le carter de soufflante 1 est réalisé dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux 3 densifié par une matrice 2. Le renfort 3 peut notamment comprendre des fibres de carbone, de verre, d’aramide ou de céramique et la matrice 2 peut être en matériau polymère, par exemple du type époxide, bismaélique ou polyimide.
Le renfort 3 peut être formé par enroulement sur un mandrin d’une texture fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel avec épaisseur évolutive conformément à la description de la demande FR 2 913 053, le renfort fibreux 3 constituant alors une préforme fibreuse complète du carter 1 de soufflante 1 formée en une seule pièce avec des parties de renfort 3 correspondant aux brides. L’application d’une source de chaleur (par exemple une flamme) sur une face externe d’un carter conventionnel a pour effet de déclencher la combustion de la résine, ce qui entraîne un dégagement de gaz chauds ayant une température de l’ordre de 400°C. Lors du retrait de la flamme, la totalité de la matrice peut ne pas encore avoir subi de combustion et continuer d’émettre des gaz chauds qui, au contact de l’oxygène et du renfort fibreux (dont la température peut atteindre 800°C), produisent un phénomène de flammes résiduelles. Il n’y a donc pas d’extinction immédiate du carter au retrait de la flamme. C’est notamment le cas des carters de soufflante. En effet, ces carters présentent une épaisseur importante (supérieure à 5 mm) de sorte que, après un essai feu (réalisé selon la norme ISO 2685) de 15 minutes avec une flamme de 1100°C, le phénomène de flammes résiduelles peut dépasser deux minutes.
Afin de protéger le carter 1 contre le feu, l’invention propose d’appliquer une couche de protection 4 sur les zones sensibles au feu, conformée pour venir en appui contre tout ou partie de ces zones sensibles au feu et comprenant un support poreux formé dans un matériau métallique. Le matériau métallique peut notamment assurer une fonction de catalyseur de déposition de pyrocarbone (ou carbone pyrolytique), ou plus généralement, de déposition de suie.
Une telle couche de protection 4 permet alors de réduire, voire de supprimer, les phénomènes de flamme résiduelle. En effet, les gaz chauds émis par la matrice 2 comprennent des gaz carbonés du type hydrocarbures aliphatique et aromatiques ou méthane qui, lors de l’essai feu, passent à travers le support poreux de la couche de protection 4 et réagissent chimiquement avec le matériau métallique qui le constitue pour former un dépôt compact comprenant du pyrocarbone et des suies. Ce dépôt de pyrocarbone et de suie forme alors une couche imperméable emprisonnant d’un côté les gaz combustibles et empêchant de l’autre l’oxygène de pénétrer vers le matériau, privant ainsi la flamme de comburant, ce qui provoque l’arrêt immédiat de la combustion dès le retrait de la source de chaleur. A cet effet peut être associée une isolation thermique limitant la température derrière le dépôt.
On notera que, selon le matériau constitutif de la matrice 2 et du renfort fibreux 3 du carter 1, il est possible que le passage des gaz chauds génère déjà un léger dépôt de suies et poussières. L’application de la couche de protection 4 permet cependant de catalyser ce dépôt et d’obtenir une épaisseur de dépôt suffisamment compacte et importante pour permettre de former une barrière au passage de l’oxygène.
Ainsi, contrairement aux protections contre le feu conventionnellement utilisées qui intègrent généralement des agents réactifs dans la matrice ou dans le renfort fibreux pour les rendre intrinsèquement auto-extinguibles et lutter directement contre le feu, le support poreux 4 n’empêche pas directement la combustion de la matrice 2 mais utilise les fumées produites par cette combustion et catalyse leur réaction pour former une barrière à la diffusion de l’oxygène, garantissant ainsi l’extinction du carter 1 dès le retrait de la flamme en la privant de comburant.
Le matériau métallique peut comprendre l’un quelconque des catalyseurs habituellement utilisés dans les procédés d’infiltration et de dépôt chimique en phase vapeur (connus sous les acronymes anglais de CVI et CVD, pour Chemical Vapor Infiltration et Chemical Vapor Déposition, respectivement) de pyrocarbone, typiquement du fer, de l’acier, du cobalt, du nickel, du cuivre, du chrome ou du palladium.
Le fer et l’acier présentent l’avantage d’avoir une faible énergie d’activation et donc de permettre la formation rapide du dépôt de pyrocarbone lors de la combustion. Qui plus est, le fer et l’acier sont facilement conformables pour un coût matière moindre et un poids raisonnable et confèrent de bonnes propriétés mécaniques au support 4 (intégrité de la couche de protection 4 malgré la présence de la flamme et non délamination avec le temps). Par exemple, le support 4 peut comprendre du fer doux (ou fer alpha), c’est-à-dire de l’acier à faible taux de carbone.
De plus, la couche de protection 4 permet d’améliorer la répartition de la chaleur à la surface du carter 1 en raison de la forte conductivité du matériau métallique qui la constitue, réduisant ainsi l’accumulation locale des calories au niveau du point d’application de la source de chaleur.
En outre, la mise en œuvre d’une telle couche de protection 4 ne modifie pas la composition chimique de la matrice 2 ni du renfort fibreux 3 et n’influence donc pas leurs propriétés (thermiques ni mécaniques). Elle peut donc être mise en œuvre quelle que soit le matériau composite du carter 1, sans nécessiter de requalifier ce matériau par des essais coûteux.
Dans une forme de réalisation, le support 4 poreux comprend des pores de diamètre compris entre 0.1 mm et 5 mm, de préférence de l’ordre de 1 mm à 3 mm, et un pourcentage de vide (répartition des pores dans le support 4) compris entre 0% et 60%, de préférence entre 5% et 30%, afin que le dépôt de pyrocarbone obtenu lors de l’essai feu soit suffisamment imperméable à l’oxygène pour arrêter la combustion dès le retrait de la flamme.
Par exemple, la couche de protection 4 peut comprendre une grille, une plaque perforée ou un tissu.
Dans un exemple de réalisation, la couche de protection 4 peut comprendre une grille en fer doux composée de fils de 0.315 mm de diamètre et présentant un vide de maille de 0.5 mm et une densité de 1.55 kg/m2 dans le cas d’un carter présentant une épaisseur de l’ordre d’une dizaine de millimètres d’épaisseur.
Procédé de fabrication S
La couche de protection 4 est appliquée sur les zones sensibles au feu, à savoir tout ou partie des faces externes de la pièce à protéger susceptibles de venir en contact avec une source de chaleur.
Dans le cas du carter 1 de soufflante, les surfaces à protéger comprennent principalement la face radiale amont 12a et la face radiale aval 12b de la bride amont 12, la face externe du fût 10 et la face radiale amont 14a de la bride aval 14.
La Demanderesse s’est aperçue que de très bons résultats sont obtenus en évitant qu’une petite surface sensible au feu du carter 1 de soufflante soit exposée au feu. En effet, il est évité que l’intégralité du carter 1 de soufflante soit dégradée à partir d’une petite surface sensible au feu du carter 1 de soufflante. Ainsi, dans une forme de réalisation, toute surface du carter 1 de soufflante susceptible d’être exposée aux flammes et présentant une longueur suivant la direction X supérieure ou égale à 2 mm est de préférence protégée contre le feu. Par exemple, le sommet 12c de la bride amont 12 présente une longueur axiale supérieure à 2 mm, typiquement de l’ordre de 10 mm. Le sommet 12c de la bride amont 12, qui est effectivement susceptible d’être exposée au feu, est donc de préférence également recouvert par la couche de protection 4.
La face aval 14b de la bride aval 14 en revanche étant habituellement festonnée et donc intrinsèquement mieux protégée contre le feu que la bride amont 12, elle ne requiert pas nécessairement de protection anti-feu et peut donc ne pas être recouverte par une couche de protection 4 contre le feu. Toutefois, cette face aval 14b de la bride aval 14 peut être recouverte à titre préventif.
La couche de protection 4 est appliquée sur la face externe 1a du carter 1 qui est sensible au feu et peut être maintenue dans cette position par tout moyen.
Par exemple, la couche de protection 4 peut être rapportée sur la face externe 1a du carter 1 et fixée dans cette position par collage.
En variante, la couche de protection 4 peut être fixée sur la face externe 1a à l’aide de la matrice 2 du carter 1, lors de la densification du renfort fibreux 3 par la matrice 2. Pour cela, au cours d’une première étape S1, le renfort fibreux 3 est d’abord formé sur un mandrin de profil correspondant à celui du carter 1 à fabriquer, de manière analogue à ce qui est décrit dans le document FR 2 913 053. Puis, au cours d’une deuxième étape S2, la couche de protection 4 peut être rapportée contre la surface du renfort fibreux 3 qui correspondant à la face externe 1a de la pièce sensible au feu, et appliquée de manière à créer une interface importante avec ladite surface (contact surfacique). Comme indiqué précédemment, dans le cas d’un carter 1 de soufflante, la couche de protection 4 peut être appliquée sur la face externe 1a du fût 10 et sur les faces et sommets des brides amont et aval. Au cours d’une troisième étape S3, la matrice 2 peut alors être injectée dans le renfort fibreux 3 et dans la couche de protection 4 suivant une étape de densification conventionnelle. La couche de protection 4 est donc maintenue en place sur la face du carter 1 qui est sensible au feu par la matrice 2 du carter 1.
La fixation de la couche de protection 4 lors de l’étape de densification du renfort fibreux 3 par la matrice 2 est rendue possible par le caractère poreux du support 4 de ladite couche, qui permet la perméation de la matrice lors de son injection. Le cas échéant, la dimension et la répartition des pores du support poreux peut être adaptée afin de faciliter ladite perméation, étant rappelé que lesdits pores doivent rester suffisamment petits pour garantir la formation d’un dépôt compact de pyrocarbone en cas de combustion (typiquement, les pores peuvent mesurer jusqu’à 5 mm de diamètre avec un pourcentage de vide jusqu’à 60%).
Ces deux moyens de fixation de la couche de protection 4 permettent de garantir la présence d’une couche de protection 4 dans toutes les zones du carter 1 qui sont sensibles au feu, en particulier au niveau de sa surface externe 1a, contrairement aux agents réactifs conventionnellement utilisés qui sont souvent intégrés dans le cœur du matériau et ont en outre pour effet de modifier son comportement.
Claims (4)
- REVENDICATIONS1. Carter de soufflant (1) d’un moteur à turbine à gaz réalisée dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux (3) densifié par une matrice (2) et une face externe (1a) sensible au feu, le carter (1) étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre une couche de protection (4), conformée pour venir en appui contre la face externe (1a) du carter (1) et comprenant un support poreux formé dans un matériau métallique.
- 2. Carter (1) selon la revendication 1, dans lequel le support compris dans la couche de protection (4) comprend des pores de diamètre compris entre 0.1 mm et 5 mm, de préférence de l’ordre de 1 mm à 3 mm. 3. Carter (1) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le support compris dans la couche de protection (4) présente un pourcentage de vide compris entre 0% et 60%, de préférence entre 5% et 30%. 4. Carter (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le support compris dans la couche de protection (4) comprend l’un au moins des éléments suivants : une grille, une plaque perforée, un tissu. 5. Carter (1) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le support compris dans la couche de protection (4) comprend l’un au moins des matériaux métalliques suivants : fer, acier, cobalt, nickel, cuivre, chrome, palladium. 6. Carter (1) selon l’une des revendications 1 à 5, ledit carter (1) comprenant un fût (10) globalement cylindrique muni d’une bride amont (12) et d’une bride aval (14) au niveau d’une extrémité amont et d’une extrémité aval du fût (10), respectivement, et dans laquelle la face externe (1a) comprend l’une au moins des faces suivantes : une face radialement extérieure du fût (10), une face amont (12a) de la bride amont (12), une face aval (12b) de la bride amont (12), un sommet (12c) de la bride amont (12), une face amont (14a) de la bride aval (14), une face aval (14b) de la bride aval (14), un sommet (14c) de la bride aval (14).
- 7. Carter (1) selon l’une des revendications 1 à 6, dans la lequel quelle la couche de protection (4) est fixée sur la face externe (1a) à l’aide de la matrice (2), ladite couche de protection (4) étant appliquée directement contre le renfort fibreux (3) et maintenue dans cette position lors de la densification dudit renfort fibreux (3) par la matrice (2). 8. Carter (1) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la couche de protection (4) est fixée sur la face externe (1a) du carter par collage. 9. Procédé de fabrication (S) d’un carter de soufflante(l) d’une turbine à gaz selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : - conformer (S1) une couche de protection (4) de sorte que ladite couche de protection (4) présente un profil correspondant à celui de la face externe (1a), ladite couche de protection (4) comprenant un support (4) poreux formé dans un matériau métallique, - placer (S3) la couche de protection (4) sur la face externe (1a) du carter, et - fixer (S4) la couche de protection (4) sur la face externe (1a) du carter (1).
- 10. Procédé de fabrication (S) selon la revendication 9, dans lequel le carter (1) est conforme à l’une des revendications 1 à 7 et est obtenue suivant les sous-étapes suivantes : - former (S2) le renfort fibreux (3) sur un mandrin de profil correspondant à celui du carter à fabriquer, - densifier (S4) le renfort fibreux (3) par injection de la matrice (2) dans ledit renfort fibreux (3), et dans lequel la couche de protection (4) est placée directement contre le renfort fibreux (3) préalablement à la sous-étape (S4) de densification, la fixation de ladite couche de protection (4) étant obtenue par co-injection de la matrice (2) dans le renfort fibreux (3) et dans la couche de protection (4), au cours de l’étape de densification (S4).
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