FR3047269A1 - Diffuseur centrifuge pour turbomoteur - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un diffuseur centrifuge (16) pour un compresseur centrifuge (14) d'un turbomoteur (10) comprenant deux parois (22, 24) s'étendant selon une direction radiale et une direction axiale, les parois (22, 24) étant espacées l'une de l'autre par des aubes (26), les parois (22, 24) et les aubes formant des conduits configurés pour recevoir et diffuser l'air sortant du compresseur centrifuge (14), les aubes comportant un revêtement anti-érosion en matériau à base de nitrure déposé en phase vapeur. L'invention concerne également un turbomoteur.

Description

Arrière-plan de l'invention [0001] Le présent exposé concerne un diffuseur centrifuge pour un compresseur centrifuge d'un turbomoteur.
[0002] Un tel diffuseur centrifuge comporte deux parois s'étendant selon une direction radiale et une direction axiale, les parois étant espacées l'une de l'autre par des aubes, les parois et les aubes formant des conduits configurés pour recevoir et diffuser l'air sortant du compresseur centrifuge.
[0003] Cependant, dans des turbomoteurs, telles que des moteurs d'hélicoptères, les diffuseurs centrifuges peuvent être dégradés par des phénomènes d'érosion dus à des particules solides ingérées par le turbomoteur.
[0004] Typiquement, en environnement sablonneux, il a été constaté que les bords d'attaque des aubes radiales du diffuseur centrifuge s'érodent préférentiellement à la jonction des aubes et des parois du diffuseur centrifuge, par exemple en pied d'aube.
[0005] Cette érosion peut fragiliser l'aube qui peut rompre. En particulier, lorsque le diffuseur centrifuge est composé de deux éléments brasés l'un à l'autre, la brasure pouvant se faire en pied d'aube, l'érosion se fait préférentiellement au niveau du cordon de brasure.
[0006] Des solutions ont été proposées afin de réduire ce problème d'érosion des aubes du diffuseur centrifuge.
[0007] Par exemple, il a été proposé d'équiper les turbomoteurs de filtres à sable. Toutefois, ce type d'équipement est onéreux et provoque des baisses de performances du turbomoteur qui sont dues à des pertes de charges engendrées par la présence du filtre à sable. Cette solution peut donc ne pas convenir à tous les turbomoteurs.
[0008] Il a été également proposé de placer sur la zone de décollage et/ou d'atterrissage de l'hélicoptère des tapis de sol qui réduisent la quantité de sable déplacé par l'hélicoptère lors des phases de décollage et/ou d'atterrissage. Toutefois, on comprend que cette solution est difficile à mettre en œuvre sur toutes les zones de décollage et/ou d'atterrissage de l'hélicoptère. Par ailleurs, il n'est pas toujours possible d'équiper toutes les zones de décollage et/ou d'atterrissage de l'hélicoptère.
Objet et résumé de l'invention [0009] Le présent exposé vise à remédier au moins en partie à ces inconvénients.
[0010] A cet effet, le présent exposé concerne un diffuseur centrifuge pour un compresseur centrifuge d'une turbomoteur comprenant deux parois s'étendant selon une direction radiale et une direction axiale, les parois étant espacées l'une de l'autre par des aubes, les parois et les aubes formant des conduits configurés pour recevoir et diffuser l'air sortant du compresseur centrifuge, les aubes comportant un revêtement anti-érosion en matériau à base de nitrure déposé en phase vapeur.
[0011] Le revêtement anti-érosion en matériau à base de nitrure est un revêtement anti-érosion qui permet une tenue à l'érosion ainsi qu'à la corrosion saline améliorée par rapport à un diffuseur centrifuge dont les aubes ne sont pas protégées par un revêtement anti-érosion.
[0012] On comprend que par matériau à base de nitrure, on entend un matériau comprenant de l'azote lié avec d'autres atomes et que le matériau comprend au moins 50% en masse de nitrure, de préférence au moins 70% en masse de nitrure, encore plus de préférence au moins 90% en masse de nitrure.
[0013] Par ailleurs, le revêtement anti-érosion étant déposé en phase vapeur, il est possible de déposer le revêtement anti-érosion sur toutes les parties du diffuseur centrifuge. L'azote peut être apporté lors de l'opération de dépôt en contrôlant l'atmosphère dans la chambre de dépôt. Il est donc facile de faire varier la teneur en azote du revêtement antiérosion.
[0014] Le dépôt en phase vapeur peut être réalisé par dépôt physique en phase vapeur, appelé PVD conformément au sigle anglais pour « Physical Vapour Déposition », ou par dépôt chimique en phase vapeur, appelé CVD conformément au sigle anglais pour « Chemical Vapour Déposition ».
[0015] De plus, la tenue à l'érosion du revêtement anti-érosion en matériau à base de nitrure est équivalente pour des angles d'incidence de 30° et 90°. Cette tenue à l'érosion du revêtement anti-érosion est significativement plus importante (de un à plusieurs ordres de grandeur) que la tenue à l'érosion du matériau non revêtu.
[0016] Ainsi, la tenue à l'érosion et à la corrosion saline du diffuseur centrifuge peut être améliorée et la durée de vie en service de diffuseurs centrifuges comportant un tel revêtement anti-érosion peut être augmentée.
[0017] Le diffuseur centrifuge peut comprendre un matériau à base d'acier inoxydable.
[0018] Ce matériau présente de bonnes caractéristiques mécaniques et est relativement facile à usiner.
[0019] On comprend que le matériau du diffuseur comporte au moins 50% en masse d'acier inoxydable, de préférence au moins 70% en masse, encore plus de préférence au moins 90% en masse.
[0020] Le diffuseur centrifuge peut comprendre un matériau en alliage à base de titane ou à base de nickel.
[0021] Ces matériaux présentent de bonnes caractéristiques mécaniques et une bonne résistance à la corrosion saline.
[0022] On comprend que par alliage à base de titane, on entend un alliage dont le composé présent majoritairement en masse est le titane. De même, par alliage à base de nickel, on entend un alliage dont le composé présent majoritairement en masse est le nickel.
[0023] Le diffuseur centrifuge peut comprendre au moins deux parties assemblées l'une à l'autre formant une zone brasée ou soudée, selon le procédé d'assemblage, le revêtement anti-érosion recouvrant la zone d'assemblage. On peut également envisager d'autres techniques d'assemblage.
[0024] Ainsi, l'opération de brasage des deux parties est réalisée avant le dépôt du revêtement anti-abrasion de sorte que le revêtement antiérosion n'est pas endommagé par l'opération de brasage et la tenue à l'érosion du revêtement anti-érosion n'est pas réduite. En effet, lorsque le brasage a lieu après le dépôt du revêtement anti-érosion, il y a un risque que le revêtement anti-érosion soit endommagé par l'opération de brasage.
[0025] Le revêtement anti-érosion en matériau à base de nitrure peut comprendre du TiAIN, du AlCrN, du TiN, du HZrN ou du TiCrN, seuls ou en combinaison.
[0026] Une composition chimique du revêtement anti-érosion peut varier selon une direction normale à une surface de l'aube.
[0027] Selon la composition chimique de la cible utilisée pour générer les atomes qui sont mis sous forme vapeur dans la chambre de dépôt, on peut faire varier la composition chimique du revêtement anti-érosion au cours du temps. Cette variation peut se faire de manière continue ou se faire par variations discrètes.
[0028] On peut également envisager de déposer des couches de revêtement anti-érosion ne comportant pas d'azote, par exemple coupant l'alimentation en azote de la chambre de dépôt.
[0029] L'aube peut comporter un bord d'attaque et le revêtement antiérosion peut avoir une épaisseur supérieure ou égale à 5 pm (micromètre), de préférence supérieur ou égal à 10 pm, encore de préférence supérieure ou égale à 15 pm sur le bord d'attaque.
[0030] Le diffuseur centrifuge peut comporter une sous-couche d'adhérence disposée entre l'aube et le revêtement anti-érosion.
[0031] Cette sous-couche d'adhérence permet une adhérence améliorée de la couche de revêtement anti-érosion. Cette sous-couche adhérence peut également être déposée en phase vapeur.
[0032] Cette sous-couche peut comprendre un matériau à base de TiAI, ou autre, qui peut être déposé dans la chambre de dépôt, par exemple en n'introduisant pas d'azote dans la chambre de dépôt.
Brève description des dessins [0033] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation de l’invention, donnés à titre d’exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées, sur lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un turbomoteur comprenant un diffuseur centrifuge ; - la figure 2 est une vue en perspective du diffuseur centrifuge ; - la figure 3 est une vue partielle en perspective d'un diffuseur centrifuge présentant une érosion en pied d'aube ; - la figure 4 est une vue en coupe du diffuseur centrifuge de la figure selon le plan de coupe IV-IV ; - la figure 5 est vue agrandie du bord d'attaque d'une aube ; - les figures 6A et 6B sont des graphiques représentant la perte de masse en fonction du temps au cours d'un test de tenue à l'érosion selon respectivement un angle d'incidence de 30° et de 90° ; - les figures 7A et 7B sont des vue en coupe de deux modes de réalisation supplémentaires du revêtement anti-érosion.
Description détaillée de l'invention [0034] La figure 1 représente un turbomoteur 10 comprenant de l'amont vers l'aval une entrée d'air 12, un compresseur centrifuge 14, un diffuseur centrifuge 16 et une chambre de combustion 18.
[0035] En aval du compresseur centrifuge, le turbomoteur 10 comporte une turbine haute pression 20.
[0036] Le diffuseur centrifuge 16 comporte deux parois 22, 24 s'étendant selon une direction radiale par rapport à l'axe de rotation A du turbomoteur 10. Les parois 22, 24 forment ensuite, en aval de la partie s'étendant selon la direction radiale, un coude et s'étendent selon une direction parallèle à la direction axiale. Les parois 22, 24, dans leurs parties s'étendant selon la direction radiale sont espacées l'une de l'autre par des aubes 26, les parois 22, 24 et les aubes 26 formant des conduits 28 configurés pour recevoir et diffuser l'air sortant du compresseur centrifuge 14.
[0037] Les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation normal de l'air dans le turbomoteur 10 et donc dans le diffuseur centrifuge 16.
[0038] La figure 3 représente une vue en perspective d'un diffuseur centrifuge 16 présentant une aube 26 comportant un pied d'aube 28 et un bord d'attaque 30. On constate que l'aube 26 présente une érosion 32 du bord d'attaque 30 principalement à proximité du pied d'aube 28.
[0039] La figure 4 représente une vue en coupe selon le plan IV-IV de la figure 2 sur laquelle on a représenté les aubes 26.
[0040] Afin de réduire ce phénomène d'érosion causé par les particules solides ingérées par le turbomoteur 10, comme représenté sur la figure 5 qui est un agrandissement d'une partie de la figure 4, en particulier du bord d'attaque 30 de l'aube 26, l'aube 26 comporte une âme 34 en matériau métallique, tel qu'un matériau à base d'acier inoxydable ou un matériau en alliage à base de titane ou de nickel, et un revêtement antiérosion 36 en matériau à base de nitrure déposé en phase vapeur.
[0041] On peut citer comme exemple d'acier inoxydable la nuance d'acier inoxydable martensitique référencée Z12CNDV12.
[0042] Le revêtement anti-érosion 36 peut être par exemple réalisé par une technique de dépôt physique en phase vapeur par arc électrique (Arc-PVD) ou par faisceau d'électron, appelé EBPVD conformément au sigle anglais pour « Electron Beam Physical Vapour Déposition ».
[0043] De manière générale, pour les diffuseurs centrifuges 16 en acier inoxydable, le dépôt du revêtement anti-érosion 36 est réalisé à des températures inférieures à 400°C. En effet, quand la température dépasse 400°C, l'acier inoxydable peut être légèrement nitruré ce qui a tendance à diminuer la tenue à la corrosion de l'acier.
[0044] Pour les diffuseurs centrifuges 16 en matériau en alliage à base de titane ou à base de nickel, on peut envisager de déposer le revêtement anti-érosion 36 à des températures pouvant aller jusqu'à 550°C.
[0045] Le revêtement anti-érosion 16 sur le bord d'attaque 30 a une épaisseur d'environ 20 pm. On comprend que l'épaisseur du revêtement anti-érosion 16 peut varier en fonction de la localisation sur le diffuseur centrifuge 16. En effet, toutes les surfaces du diffuseur centrifuge 16 ne sont pas exposées de la même manière et l'épaisseur du dépôt du revêtement anti-érosion 16 peut donc varier.
[0046] Toutefois, le dépôt est réalisé de sorte que l'épaisseur du revêtement anti-érosion 36 sur le bord d'attaque 30 ait l'épaisseur désirée. En effet, comme représenté sur la figure 2, c'est le bord d'attaque 30 qui subit la plus forte érosion.
[0047] Dans le diffuseur centrifuge 16 représenté sur la figure 2, le diffuseur centrifuge 16 peut comprendre une première partie formée par la paroi 22 et les aubes 26 et une deuxième partie formée par la paroi 24. Ces deux parties sont assemblées l'une à l'autre, notamment par brasage ou soudage des pieds d'aube 28 sur la paroi 24. On peut également envisager d'autres techniques d'assemblage. Cette zone forme une zone d'assemblage qui est recouverte par le revêtement anti-érosion 36.
[0048] Le revêtement anti-érosion 36 est déposé en phase vapeur et recouvre donc toutes les surfaces du diffuseur centrifuge 16 qui sont exposées.
[0049] Les figures 6A et 6B représentent la perte de masse (en milligrammes - mg) en fonction du temps (en secondes - s) au cours d'un test de tenue à l'érosion selon respectivement un angle d'incidence de 30° et de 90° pour l'acier inoxydable Z12CNDV12 (carrés) et pour l'acier inoxydable Z12CNDV12 comportant un revêtement anti-érosion en TiAIN (cercles pleins et cercles vides).
[0050] Lors test à l'érosion à 30° et à 90°, on constate une perte de masse respectivement d'environ 190 mg et 130 mg pour l'acier inoxydable Z12CNDV12. Lors de même tests à l'érosion à 30° et à 90°, on ne constate pas de perte de masse pour l'acier inoxydable Z12CNDV12 comportant le revêtement anti-érosion en TiAIN, même pour des temps d'essai supérieurs à 800 s.
[0051] Ce type de test d'érosion est relativement standard et consiste à projeter de la silice ou du quartz ayant une granulométrie inférieure ou égale à 200 pm (micromètre) sur la surface à tester selon un angle d'incidence donné, dans le cas présent, 30° et 90°.
[0052] Par ailleurs, des tests de corrosion en brouillard salin neutre (selon la norme EN ISO 9227) montrent que le dépôt d'un revêtement en matériau à base de nitrure ne dégrade pas la tenue à la corrosion saline du diffuseur centrifuge 16.
[0053] Dans ce qui suit, les éléments communs aux différents modes de réalisation sont identifiés par les mêmes références numériques.
[0054] La figure 7A représente le revêtement anti-érosion 36 déposé sur l'âme 34. Le revêtement anti-érosion 36 est composé de deux couches 36A et 36B. Ces deux couches ont des compositions chimiques différentes.
[0055] On peut par exemple réaliser un tel revêtement anti-érosion 36 en changeant la nature de la cible utilisée pour évaporer les éléments à déposer sur l'âme 34 du diffuseur centrifuge 16.
[0056] La figure 7B représente une sous-couche d'adhérence 38 disposée entre le revêtement anti-érosion 36 et l'âme 34 du diffuseur centrifuge 16.
[0057] Par exemple, la sous-couche d'adhérence 38 peut comprendre un matériau en TiAI et le revêtement anti-érosion 36 comprendre un matériau en TiAIN.
[0058] La sous-couche d'adhérence 38 et le revêtement anti-érosion 36 peuvent par exemple être déposés par la technique Arc-PVD avec une cible en TiAI. Le dépôt de la sous-couche d'adhérence 38 est réalisé en l'absence d'azote dans la chambre de dépôt alors que le dépôt du revêtement anti-érosion 36 est réalisé en présence d'azote dans la chambre de dépôt.
[0059] Quoique le présent exposé ait été décrit en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.
[0060] Par exemple, le revêtement anti-érosion 36 de la figure 7B pourrait comprendre plusieurs couches ayant des compositions chimiques différentes.
[0061] Au lieu d'avoir des compositions chimiques différentes séparées de manière plus ou moins nette, on peut également envisager que la composition chimique du revêtement anti-érosion évolue de manière continue en épaisseur, c'est-à-dire que l'on fait évoluer de manière continue dans le temps la composition chimique des éléments en phase vapeur qui sont destinés à être déposés sur le diffuseur centrifuge.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Diffuseur centrifuge (16) pour un compresseur centrifuge (14) d'un turbomoteur (10) comprenant deux parois (22, 24) s'étendant selon une direction radiale et une direction axiale, les parois (22, 24) étant espacées l'une de l'autre par des aubes (26), les parois (22, 24) et les aubes (26) formant des conduits configurés pour recevoir et diffuser l'air sortant du compresseur centrifuge (14), les aubes (26) comportant un revêtement anti-érosion (36) en matériau à base de nitrure déposé en phase vapeur.
  2. 2. Diffuseur centrifuge (16) selon la revendication 1, dans lequel le diffuseur centrifuge (16) comprend un matériau à base d'acier inoxydable.
  3. 3. Diffuseur centrifuge (16) selon la revendication 1, dans lequel le diffuseur centrifuge (16) comprend un matériau en alliage à base de titane ou à base de nickel.
  4. 4. Diffuseur (16) centrifuge selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comportant au moins deux parties assemblées l'une à l'autre formant une zone d'assemblage, le revêtement anti-érosion (36) recouvrant la zone d'assemblage.
  5. 5. Diffuseur (16) centrifuge selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le revêtement anti-érosion (36) en matériau à base de nitrure comprend du TiAIN, du AlCrN, du TiN, du TiZrN ou du TiCrN, seuls ou en combinaison.
  6. 6. Diffuseur centrifuge (16) selon la revendication 5, dans lequel une composition chimique du revêtement anti-érosion (36) varie selon une direction normale à une surface de l'aube (26).
  7. 7. Diffuseur centrifuge (16) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'aube (26) comporte un bord d'attaque (30) et le revêtement anti-érosion (36) a une épaisseur supérieure ou égale à 5 pm, de préférence supérieur ou égal à 10 pm, encore de préférence supérieure ou égale à 15 pm sur le bord d'attaque (30).
  8. 8. Diffuseur centrifuge (16) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comportant une sous-couche d'adhérence (38) disposée entre l'aube (26) et le revêtement anti-érosion (36).
  9. 9. Turbomoteur (10) comprenant un diffuseur centrifuge (16) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
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