FR3060608A1 - Procede de fabrication d'une structure abradable pour une turbomachine - Google Patents

Procede de fabrication d'une structure abradable pour une turbomachine Download PDF

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Abstract

Procédé de fabrication d'une structure abradable pour une turbomachine, ladite structure comportant un support (29) et une couche alvéolaire abradable (30) sur une face dudit support, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation de ladite couche sur ladite face par fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre.

Description

DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une structure abradable pour une turbomachine, ainsi qu’une structure abradable pour une turbomachine et par exemple pour une turbine de turbomachine.
ETAT DE LA RT
L’état de l’art comprend notamment le document FR-A1-2 999 226.
Une turbine de turbomachine permet de convertir l’énergie cinétique des gaz chauds de la veine de turbine en énergie mécanique nécessaire à l’entraînement d’un compresseur et/ou d’un rotor dans le cas d’un hélicoptère. Le rendement d’une turbine influe directement sur la consommation du moteur.
Une augmentation des performances d’une turbine à gaz peut être obtenue par une réduction des jeux entre le rotor et le stator de la turbine, pour limiter les fuites et ainsi récupérer un maximum d'énergie cinétique des gaz pour la transformer en énergie mécanique. Un rotor de turbine comprend des roues aubagées qui sont entourées par des anneaux de stator. Les jeux entre le rotor et le stator de la turbine sont les jeux radiaux (par rapport à l’axe longitudinal de la turbomachine) entre les sommets ou extrémités radialement externes des pales des roues et les anneaux de stator situés au droit de ces pales.
Afin d’optimiser la maîtrise des jeux radiaux précités, il est connu de prévoir des talons sur les sommets des pales. Ces talons ont pour but de fermer la zone au-dessus des pales dans la veine et de limiter ainsi les fuites de gaz afin de récupérer un maximum d’énergie propulsive.
Les anneaux situés en regard des talons comprennent une couche métallique abradable. Cependant, il existe encore des jeux significatifs entre les talons et le stator et il est d’usage de les limiter par la mise en place de léchettes radialement externes au sommet des talons.
Ces léchettes, positionnées sur le rotor peuvent rentrer en contact avec le stator durant le fonctionnement du moteur et engendrer des usures et donc une ouverture des jeux entre le rotor et le stator, engendrant une perte de l’étanchéité et finalement une baisse du rendement de la turbine.
La couche abradable a en général une structure alvéolaire comparable à celle d’un nid d’abeille, et est appelée couramment « Nida >>. Cette structure alvéolaire permet de tolérer les touches rotor-stator en phase transitoire tout en maîtrisant les jeux moyens et donc le rendement lors des phases stabilisées.
Dans la technique actuelle, les alvéoles d’une couche abradable sont de forme hexagonale et de direction radiale. La couche abradable est apte à s’user lors des touches avec les léchettes positionnées sur les talons des pales de turbine. Ceci a pour conséquence une ouverture des jeux comme évoqué précédemment, mais seulement localement, dans la zone de touche du stator, contre une ouverture des jeux globale en cas d’usure du rotor (toutes les léchettes seraient usées). La perte de performance est ainsi limitée.
La couche abradable peut être réalisée sous la forme d’un revêtement ou sous la forme d’une plaque poreuse. Un Nida est par exemple élaboré à partir de tôles préformées et assemblées entre elles par soudage résistance. Le Nida est ensuite assemblé par brasage à un support. La composition du Nida dépend de l’utilisation finale notamment vis-à-vis des propriétés recherchées de tenue à la corrosion et en température.
Cependant, avec la technique actuelle, la réalisation d’une telle structure est relativement complexe et coûteuse à réaliser du fait des tôles préfabriquées qui doivent être découpées puis brasées sur le support. Il est à noter que, lors du brasage des plaques, des éléments de brasure peuvent remonter le long des parois par capillarité. Cette brasure est, à la température de fonctionnement de la turbine, un matériau qui est assez dur et qui est susceptible d’user les léchettes en vis-à-vis en cas de touche. Il est également admis par les essais que les Nidas montrent une dureté dans le sens de la longueur (dans le sens de laminage) qui peut générer dans certains cas de touche de l’usure des léchettes. Dans ces conditions, il est souvent appliqué un revêtement de durcissement des léchettes en vis-à-vis, ce qui est également coûteux
De plus, en fonctionnement, des gaz passent au-dessus des léchettes en utilisant le volume des alvéoles situé en aval de la section annulaire définie par le jeu entre le sommet des léchettes du talon et la couche abradable. En limitant ce débit de gaz, on maximise le débit dans la veine, ce qui a pour effet d’augmenter le rendement de la turbine. Ce débit peut bien sûr être réduit en diminuant le jeu, mais on doit aussi veiller à assurer un jeu minimum au montage/démontage ainsi qu’en fonctionnement transitoire et/ou stabilisé.
L’invention propose une solution simple, efficace et économique à au moins une partie des problèmes et besoins de la technique antérieure.
EXPOSE DE L’INVENTION
L’invention propose à cet effet un procédé de fabrication d’une structure abradable pour une turbomachine, ladite structure comportant un support et une couche alvéolaire abradable sur une face dudit support, caractérisé en ce qu’il comprend la réalisation de ladite couche sur ladite face par fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre.
Le principe de l’invention est ainsi de fabriquer une couche abradable, par exemple du type Nida, directement sur un support par un procédé de fusion sur lits de poudre par faisceau d’énergie, laser (SLM acronyme de l’anglais sélective laser melting) ou électron (EBM acronyme de l’anglais électron beam melting).
L’invention apporte plusieurs avantages par rapport à la technique antérieure : elle permet de réaliser la structure abradable en une seule étape et donc de limiter les étapes de fabrication ; elle permet d’utiliser un matériau performant à la touche pour la réalisation de la couche abradable ; elle permet de ne pas utiliser de matériau de brasure pour la solidarisation de la couche abradable au support ; et en outre elle permet de réaliser des formes d’alvéoles qui permettent d’optimiser les écoulements de gaz au niveau des jeux rotor-stator et donc les performances de la turbomachine.
La forme et l’orientation des alvéoles peuvent être optimisées pour améliorer le comportement aérothermique de la couche abradable, et pour réduire la perméabilité globale de la structure afin d’améliorer le rendement de l’étage de turbine. Un objectif peut être de réduire le débit de gaz en sommet de pale tout en conservant un jeu minimum dans cette zone.
Les alvéoles peuvent avoir une forme allongée sensiblement rectiligne. Avantageusement, leurs axes d’allongement sont sensiblement parallèles et inclinés par rapport à ladite face. Les alvéoles sont avantageusement inclinées pour limiter le débit de gaz qui passe audessus d’un talon de pale. L’inclinaison d’une alvéole peut par exemple être réalisée vers l’amont ou en tangentiel, voire les deux. Par ailleurs, des formes d’alvéoles plus complexes peuvent apporter un gain significatif en perméabilité, comme des alvéoles en forme de C dans le sens de l’écoulement ou inversé, des alvéoles ondulées, etc.
Dans ce contexte de fabrication, il est avantageux de modifier la forme standard des alvéoles pour améliorer l’étanchéité du système léchettes/Nida ou pour encore améliorer le comportement à la touche.
En effet, dans le premier cas il est possible d’améliorer l’étanchéité en maximisant le nombre de parois à traverser en vis-à-vis d’une léchette. Ainsi, des formes plus complexes telles que des losanges, des vagues, etc., s’avèrent avantageuses. Dans le deuxième cas, le comportement à la touche peut être améliorer en minimisant la quantité de matière rencontrée par la léchette lors de la touche. C’est donc par l’utilisation de géométrie complexe ou différente de l’hexagone classique que l’amélioration de la touche est possible. En effet, il sera préférable pour limiter l’usure des léchettes de venir toucher les parois des alvéoles avec un angle si possible supérieur à 45° (alors qu’avec la forme hexagone on peut avoir un angle de 0° lors de la touche entraînant des efforts et uneusure supérieurs).
La structure est par exemple un anneau de stator ou un secteur d’anneau de stator.
L’invention concerne également une structure abradable pour une turbomachine, ladite structure comportant un support et une couche alvéolaire abradable sur une face dudit support, caractérisée en ce qu’elle est fabriquée par un procédé tel que décrit ci-dessus. Avantageusement, cette structure est dépourvue de couche de brasure entre la couche abradable et le support.
L’invention concerne encore une turbomachine ou module de turbomachine, comportant au moins une structure telle que décrite cidessus.
De préférence, dans le cas où la structure s’étend autour d’un axe longitudinal de la turbomachine ou du module, les alvéoles ont une forme allongée sensiblement rectiligne, leurs axes d’allongement étant sensiblement parallèles et inclinés par rapport à des axes radiaux audit axe longitudinal.
Les axes d’allongement peuvent être sensiblement inclinés d’amont en aval radialement vers l’intérieur ou d’amont en aval radialement vers l’extérieur. En variante ou en caractéristique additionnelle, les axes d’allongement peuvent être sensiblement inclinés en direction tangentielle.
Les alvéoles peuvent avoir en section transversale une forme hexagonale ou carrée, ou comporter au moins une paroi latérale en forme de vague ou de C ou U.
DESCRIPTION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d’une turbine de turbomachine,
- la figure 2 est une autre vue schématique partielle en coupe axiale et en perspective d’une turbine de turbomachine,
- la figure 3 est une vue schématique en coupe et à plus grande échelle d’une turbine de turbomachine et montre les jeux radiaux entre une pale de rotor et un anneau de stator,
- les figures 4, 5 et 6 sont des vues schématiques similaires à celles des figures 1 à 3, respectivement, et illustrent l’invention,
- la figure 7 est une vue très schématique d’une machine de réalisation d’une structure abradable selon l’invention, par fabrication additive, et
- les figures 8a à 8f sont des vues très schématiques de différentes géométries possibles pour les alvéoles d’une couche abradable.
DESCRIPTION DETAILLEE
Dans la description qui suit et dans l’ensemble de la présente demande, les termes amont et aval font référence au sens d’écoulement des gaz dans une turbomachine ou turbine de turbomachine.
On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une partie seulement d'une turbine basse pression 10 agencée immédiatement en aval d'une turbine haute pression recevant les gaz chauds issus d'une chambre annulaire de combustion et qui comprend un carter externe 12 comportant sur sa surface interne des pattes annulaires amont 14 et aval 16 orientées vers l'aval pour le montage d'un anneau 18 entourant extérieurement une rangée annulaire d'aubes ou pales mobiles 20 (seule l'extrémité radialement externe d'une pale est représentée en figure 1).
L'extrémité amont de l'anneau 18 comprend deux rebords cylindriques 22 orientées vers l'amont, espacées radialement l'un de l'autre et délimitant avec une paroi annulaire radiale 24 une gorge annulaire engagée sur le rebord annulaire amont 14 du carter 12. L'extrémité aval de l'anneau 18 comprend un rebord cylindrique aval 26 comportant une gorge annulaire 28 orientée radialement vers l'extérieur et engagée sur le rebord annulaire aval 16 du carter 12.
L'anneau 18 comprend un support annulaire 29 entourant extérieurement les pales 20 et recouvert sur sa face radialement interne d'une couche de matière abradable 30.
Chaque extrémité radialement externe d'une pale 20 comprend un talon 32 portant extérieurement des léchettes 34 orientées radialement vers l'extérieur et pénétrant et frottant en fonctionnement sur la couche 30 de matière abradable pour éviter les circulations d'air parasites entre les sommets d'aubes et l’anneau 18.
Dans la technique actuelle représentée aux figures 2 et 3, on constate que la couche abradable 30 est du type Nida et comprend des alvéoles hexagonales 36. Comme évoqué dans ce qui précède, cette couche 30 est complexe à réaliser par l’assemblage de plaques préformées et rapportées et brasées sur la face interne du support 29. Les alvéoles 36 ont une forme allongée rectiligne et sont parallèles entre elles et à des axes radiaux R.
Les alvéoles 36 débouchent à leurs extrémités radialement internes dans la veine de turbine et des gaz de combustion circulant d’amont en aval dans la veine et entre les jeux radiaux s’étendant entre les extrémités radialement externes des léchettes 34 et la couche abradable 30, peuvent pénétrer radialement vers l’extérieur dans les alvéoles, au droit des léchettes 34, et réduire les performances de la turbine (cf. zones encadrées dans la figure 3).
L’invention permet de remédier à au moins une partie de ces problèmes grâce à la réalisation de la couche abradable directement sur une face d’un support par fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre, par faisceau d’énergie, laser ou électron.
La figure 7 montre une machine de fabrication d’une couche abradable par fabrication additive et en particulier par fusion sélective de couches de poudre par faisceau de haute énergie.
La machine comprend un bac d'alimentation 170 contenant de la poudre métallique, un rouleau 130 pour transvaser cette poudre depuis ce bac 170 et étaler une première couche 110 de cette poudre sur un support de construction 180 (il peut s'agir d'un support massif, d'une partie d'une autre pièce ou d'une grille support utilisée pour faciliter la construction de certaines pièces).
La machine comprend également un bac de recyclage 140 pour récupérer une infime partie de la poudre usagée (en particulier non fondue ou non frittée) et la majeure partie de la poudre en excès, après étalement de la couche de poudre sur le support de construction 180. Ainsi, la majeure partie de la poudre du bac de recyclage est composée de poudre neuve. Aussi, ce bac de recyclage 140 est communément appelé par la profession bac de trop plein ou cendrier.
Cette machine comprend également un générateur 190 de faisceau laser 195, et un système de pilotage 150 apte à diriger ce faisceau 195 sur n'importe quelle région du support de construction 180 de façon à balayer n'importe quelle région d'une couche de poudre. La mise en forme du faisceau laser et la variation de son diamètre sur le plan focal se font respectivement au moyen d'un dilatateur de faisceau 152 et d'un système de focalisation 154, l'ensemble constituant le système optique.
Cette machine peut appliquer le procédé assimilable à un procédé de dépôt direct de métal ou DMD (acronyme de l’anglais Direct Métal Déposition) sur une poudre et peut utiliser n'importe quel faisceau de haute énergie en place du faisceau laser 195, tant que ce faisceau est suffisamment énergétique pour dans le premier cas fondre ou dans l'autre cas former des cols ou ponts entre les particules de poudre et une partie du matériau sur lequel les particules reposent.
Le rouleau 130 peut être remplacé par un autre système de dépose approprié, tel qu'un dévidoir (ou trémie) associé à une lame de raclage, à un couteau ou à une brosse, apte à transvaser et étaler la poudre en couche.
Le système de pilotage 150 comprend par exemple au moins un miroir 155 orientable sur lequel le faisceau laser 195 se réfléchit avant d'atteindre une couche de poudre dont chaque point de la surface se trouve située toujours à la même hauteur par rapport à la lentille de focalisation, contenue dans le système de focalisation 154, la position angulaire de ce miroir 155 étant pilotée par une tête galvanométrique pour que le faisceau laser balaye au moins une région de la première couche de poudre, et suive ainsi un profil de pièce pré-établi.
La machine fonctionne de la façon suivante. On dépose à l'aide du rouleau 130 une première couche 110 de poudre d'un matériau sur le support de construction 180, cette poudre étant transvasée depuis un bac d'alimentation 170 lors d'un mouvement aller du rouleau 130 puis elle est raclée, et éventuellement légèrement compactée, lors d'un (ou de plusieurs) mouvement(s) de retour du rouleau 130. L'excédent de poudre est récupéré dans le bac de recyclage 140. On porte une région de cette première couche 110 de poudre, par balayage avec le faisceau laser 195, à une température supérieure à la température de fusion de cette poudre (température de liquidus). La tête galvanométrique est commandée selon les informations contenues dans la base de données de l'outil informatique utilisé pour la conception et la fabrication assistées par ordinateur de la pièce à fabriquer. Ainsi, les particules de poudre 160 de cette région de la première couche 110 sont fondues et forment un premier cordon 115 d'un seul tenant, solidaire avec le support de construction 180. On abaisse le support 180 d'une hauteur correspondant à l’épaisseur déjà définie de la première couche (entre 20 et 100 pm et en général de 30 à 50 pm). L'épaisseur de la couche de poudre à fusionner ou à consolider reste une valeur variable d'une couche à l'autre car elle est fort dépendante de la porosité du lit de poudre et de sa planéité alors que le déplacement préprogrammé du support 180 est une valeur invariable au jeu près. On dépose ensuite une deuxième couche 120 de poudre sur la première couche 110 et sur ce premier cordon 115, puis on chauffe par exposition au faisceau laser 195 une région de la deuxième couche 20 qui est située partiellement ou complètement au-dessus de ce premier cordon 115, de telle sorte que les particules de poudre de cette région de la deuxième couche 120 sont fondues, avec au moins une partie du premier élément 15, et forment un deuxième cordon d'un seul tenant ou consolidé 125, l'ensemble de ces deux cordons 115 et 125 formant un bloc d'un seul tenant. A cet effet, le deuxième cordon 125 est avantageusement déjà entièrement lié dès qu'une partie de ce deuxième cordon 125 se lie au premier élément 115. On poursuit ensuite ce processus de construction de la pièce couche par couche en ajoutant des couches supplémentaires de poudre sur l'ensemble déjà formé. Le balayage avec le faisceau 195 permet de construire chaque couche en lui donnant une forme en accord avec la géométrie de la pièce à réaliser. Les couches inférieures de la pièce se refroidissent plus ou moins vite au fur et à mesure que les couches supérieures de la pièce se construisent.
Afin de diminuer la contamination de la pièce, par exemple en oxygène dissous, en oxyde(s) ou en un autre polluant lors de sa fabrication couche par couche telle que décrite ci-dessus, cette fabrication doit être effectuée dans une enceinte à degré d'hygrométrie contrôlée et adaptée au couple procédé/matériau, remplie d'un gaz neutre (non réactif) vis-à-vis du matériau considéré tel que l'azote (N2), l'argon (Ar) ou l'hélium (He) avec ou non addition d'une faible quantité d'hydrogène (H2) connu pour son pouvoir réducteur. Un mélange d'au moins deux de ces gaz peut être aussi considéré. Pour empêcher la contamination, notamment par l'oxygène du milieu environnant, il est d'usage de mettre cette enceinte en surpression.
Ainsi selon l'état de l'art actuel, la fusion sélective ou le frittage sélectif par laser permet de construire avec une bonne précision dimensionnelle des pièces faiblement polluées dont la géométrie en trois dimensions peut être complexe.
La fusion sélective ou le frittage sélectif par laser utilise en outre de préférence des poudres de morphologie sphérique, propres (c'est-à-dire non contaminées par des éléments résiduels provenant de la synthèse), très fines (la dimension de chaque particule est comprise entre 1 et 100 pm et de préférence entre 45 et 90 pm), ce qui permet d'obtenir un excellent état de surface de la pièce finie. La poudre est de préférence en alliage métallique, par exemple à base nickel.
La fusion sélective ou le frittage sélectif par laser permet par ailleurs une diminution des délais de fabrication, des coûts et des frais fixes, par rapport à une pièce moulée, injectée ou usinée dans la masse.
Comme cela est visible aux figures 4 à 7, la réalisation de la couche abradable par fabrication additive permet d’envisager des formes et géométries d’alvéoles différentes de la technique antérieure et variées.
Dans l’exemple représenté, les axes d’allongement S des alvéoles 36 sont sensiblement parallèles et inclinés par rapport à la face radialement interne du support 29. Les alvéoles sont en outre inclinées par rapport à des axes radiaux R. Les axes d’allongement S peuvent être inclinés d’amont en aval radialement vers l’intérieur, comme dans l’exemple représenté. En variante, ils pourraient être inclinés d’amont en aval radialement vers l’extérieur. Les axes d’allongement S pourraient en outre ou en variante être inclinées en direction tangentielle.
Comme cela est visible à la figure 6, l’inclinaison des alvéoles par rapport à des directions radiales R à l’axe de la turbine, permet de diminuer les pertes de charge lors du passage des gaz à travers les jeux radiaux précités (cf. zones encadrées).
Les figures 8a à 8f montrent différentes géométries possibles pour les alvéoles d’une couche abradable. Les figures 8a et 8b montrent des alvéoles à section carrée. Les flèches représentent le sens de rotation du rotor de turbine. En figure 8a, les alvéoles sont disposées en lignes et sont en quinconce d’un ligne à une ligne adjacente. En figure 8b, les alvéoles sont disposées en lignes et également alignées en rangées. Aux figures 8c et 8d, les alvéoles ont en section des parois en forme de vague. Aux figures 8e et 8f, les alvéoles ont en section des parois en forme de C ou U. Toutes ces formes complexes sont réalisables par fabrication additive.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de fabrication d’une structure abradable pour une turbomachine, ladite structure comportant un support (29) et une couche alvéolaire abradable (30) sur une face dudit support, caractérisé en ce qu’il comprend la réalisation de ladite couche sur ladite face par fabrication additive par fusion sélective sur lits de poudre.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les alvéoles (36) ont une forme allongée sensiblement rectiligne, leurs axes d’allongement (S) étant sensiblement parallèles et inclinés par rapport à ladite face.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la structure est un anneau de stator (18) ou un secteur d’anneau de stator.
  4. 4. Structure abradable pour une turbomachine, ladite structure comportant un support (29) et une couche alvéolaire abradable (30) sur une face dudit support, caractérisée en ce qu’elle est fabriquée par un procédé selon l’une des revendications précédentes et est dépourvue de couche de brasure entre la couche abradable et le support.
  5. 5. Turbomachine ou module de turbomachine, comportant au moins une structure selon la revendication précédente.
  6. 6. Turbomachine ou module de turbomachine selon la revendication précédente, dans laquelle ou lequel la structure s’étend autour d’un axe longitudinal de la turbomachine ou du module, les alvéoles (36) ayant une forme allongée sensiblement rectiligne, leurs axes d’allongement (S) étant sensiblement parallèles et inclinés par rapport à des axes radiaux (R) audit axe longitudinal.
  7. 7. Turbomachine ou module de turbomachine selon la revendication précédente, dans laquelle ou lequel les axes d’allongement (S) sont sensiblement inclinés d’amont en aval radialement vers l’intérieur ou d’amont en aval radialement vers l’extérieur.
  8. 8. Turbomachine ou module de turbomachine selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle ou lequel les axes d’allongement sont sensiblement inclinés en direction tangentielle.
  9. 9. Turbomachine ou module de turbomachine selon l’une des 5 revendications 5 à 8, dans laquelle ou lequel les alvéoles ont en section transversale une forme hexagonale ou carrée, ou comporte au moins une paroi latérale en forme de vague ou de C ou U.
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