FR3129431A1 - Aube de rotor pour une turbomachine d’aeronef - Google Patents

Aube de rotor pour une turbomachine d’aeronef Download PDF

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Abstract

Aube de rotor (20) pour une turbomachine (1) d’aéronef, cette aube (20) comportant une pale (21) reliée par une plateforme (22) à un pied (23), l’aube (20) comportant une cavité interne configurée pour autoriser le passage d’un flux d’air de refroidissement, l’aube (20) comportant un corps (36) réalisé en alliage à base de nickel, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un insert (32) logé dans un évidement (33) du corps (31) et réalisé dans un matériau à base de céramique. Figure pour l'abrégé : Figure 2

Description

AUBE DE ROTOR POUR UNE TURBOMACHINE D’AERONEF
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne notamment une aube de rotor pour une turbomachine d’aéronef, ainsi qu’un procédé de fabrication de cette aube.
Arrière-plan technique
Les aubes de turbomachine d’aéronef, notamment les aubes de turbine haute pression, sont soumises à des températures très élevées qui peuvent réduire leur durée de vie et dégrader les performances de la turbomachine. En effet, les turbines de turbomachine sont agencées en aval de la chambre de combustion de la turbomachine qui éjecte un flux gazeux chaud lequel est détendu par les turbines et permet de les entraîner en rotation pour le fonctionnement de la turbomachine. La turbine haute pression qui est placée directement à la sortie de la chambre de combustion subit les températures les plus élevées.
Afin de permettre aux aubes de turbine de supporter ces contraintes thermiques sévères, il est connu de prévoir un circuit de refroidissement dans lequel circule un air relativement plus froid qui est prélevé au niveau des compresseurs, ces derniers étant situés en amont de la chambre de combustion. Plus précisément, chaque aube de turbine comprend une pale avec une paroi intrados et une paroi extrados qui sont reliées en amont par un bord d’attaque et en aval par un bord de fuite.
Le circuit de refroidissement comprend en général plusieurs cavités à l’intérieur de la pale de l’aube dont certaines communiquent entre elles et qui sont alimentées par de l’air de refroidissement depuis le pied de l’aube, une partie de cet air de refroidissement débouchant dans des orifices de sortie qui sont placés au voisinage du bord de fuite. Ces orifices délivrent des jets d’air de refroidissement sur les parois de la pale.
Les cavités du circuit de refroidissement sont réalisées généralement par au moins un noyau de fonderie qui est exploité dans un procédé de fabrication de l’aube utilisant la technique de fonderie à cire perdue. L’aube est en général réalisée dans un alliage métallique à base de nickel.
Ce procédé comprend une première étape de fabrication d’un ou de plusieurs noyaux de fonderie. Un noyau de fonderie est classiquement obtenu par injection céramique (céramique qui est ensuite déliantée et frittée). Ces noyaux ont des formes et dimensions qui sont prédéterminées en fonction des formes et dimensions du circuit de refroidissement de l’aube.
Suivant une autre étape du procédé, de la cire est injectée autour du ou des noyaux. Une fois que la cire est refroidie, nous obtenons un modèle comprenant les noyaux noyés dans la cire. Le modèle est disposé sur une colonne avec d’autres modèles similaires de manière à former une grappe.
Le procédé comprend en outre la réalisation d’une carapace dans un matériau réfractaire autour de la grappe et qui fait office de moule. Le matériau réfractaire est par exemple une céramique. La carapace est réalisée en immergeant la grappe plusieurs fois dans une barbotine en céramique.
Le procédé consiste ensuite à retirer la cire de la carapace, par chauffage de la carapace et fusion de la cire. Du métal en fusion est ensuite versé ou coulé à l’intérieur de la carapace de manière à combler les cavités laissées par le retrait de la cire dans les modèles et destinés à former les pièces métalliques, ici les aubes de turbine. En effet, préalablement à cette étape de versement de métal, il est réalisé une étape de retrait de la cire.
Lorsque la carapace est refroidie et solidifiée, une étape de décochage permet de détruire la carapace et les noyaux dans les pièces métalliques (aube) de manière à faire apparaître l’aube finale et les cavités de circulation de fluide de refroidissement.
Une aube réalisée par cette technique est formée par un corps monobloc en alliage à base de nickel. Ce matériau est connu pour avoir une bonne résistance mécanique dans la plage de température de fonctionnement d’une turbine haute pression (jusqu’à 1200°C environ). Plus précisément, ce matériau a une bonne résistance en traction et compression qui décroit progressivement avec la température (de 800°C à 1200°C). Cette résistance permet une utilisation jusqu’à une température de 1100°C environ.
Les matériaux céramiques ont, quant à eux, une bonne résistance, notamment en compression à très haute température, jusqu’à 1200°C environ.
En fonctionnement, le corps d’une aube subit des dilatations thermiques qui se traduisent par des déformations. Ces déformations génèrent des zones de compression et des zones de traction dans l’aube.
Il existe un besoin de trouver une solution pour améliorer la tenue thermomécanique d’une aube de rotor de façon à ce que celle-ci puisse résister à la fois à des efforts de traction et de compression à haute température (jusqu’à 1050°C environ) et très haute température (jusqu’à 1200°C environ).
L’invention propose une aube de rotor pour une turbomachine d’aéronef, cette aube comportant une pale reliée par une plateforme à un pied, l’aube comportant une cavité interne configurée pour autoriser le passage d’un flux d’air de refroidissement, l’aube comportant un corps réalisé en alliage à base de nickel, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un insert logé dans un évidement du corps et réalisé dans un matériau à base de céramique, ledit insert ayant une forme complémentaire de celle dudit évidement.
L’invention propose ainsi une aube de rotor comportant un corps en alliage à base de nickel et un ou plusieurs inserts dans ce corps dans un matériau à base de céramique. Chacun de ces matériaux fonctionne dans son domaine privilégié de fonctionnement. Comme évoqué dans ce qui précède, le matériau en alliage à base de nickel a une bonne résistance en traction et compression jusqu’à une température de 1050°C, c’est-à-dire de moyenne à haute température pour une turbine d’aéronef. Le matériau à base de céramique a une bonne résistance en compression jusqu’à une température de 1200°C, c’est-à-dire à haute température pour une turbine d’aéronef.
On comprend ainsi que les inserts à base de céramique sont situés dans les zones de l’aube susceptibles d’être soumises en fonctionnement à de tels niveaux de température (jusqu’à 1200°C). De plus, ces inserts sont montés précontraints afin de toujours travailler en fonctionnement en compression, quel que soit le chargement initial (traction ou compression) de la zone.
L’invention permet donc d’améliorer les performances de tenue thermique de l’aube qui peut ainsi fonctionner dans un environnement plus chaud. Il est ainsi possible d’augmenter la température des gaz de combustion dans la veine de la turbine, d’augmenter la température de l’air de refroidissement de l’aube, et/ou de réduire le débit d’air de refroidissement de l’aube, ce qui permet d’optimiser les performances de la turbine et donc de la turbomachine.
L’aube de rotor selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
-- ledit corps exerce sur ledit insert une précontrainte en compression ; cette précontrainte peut résulter du procédé de fabrication de l’aube et en particulier d’un phénomène de retrait matière ou de contraction de la matière à la fin du procédé de fabrication, lors de la solidification de l’aube ;
-- ladite précontrainte en compression est maintenue tant que la température de l’aube est inférieure à une certaine valeur, qui correspond par exemple à une température de fonctionnement de l’aube et de la turbomachine ;
-- ladite précontrainte en compression diminue à mesure que la température de l’aube augmente et peut s’annuler ou disparaître lorsque la température de l’aube atteint la valeur précitée ; ceci est dû aux dilatations thermiques différentielles des matériaux du corps et de l’insert ;
- l’aube comprend un insert situé à une extrémité libre de la pale, opposée au pied ;
- l’insert forme au moins une partie d’une baignoire à l’extrémité libre de la pale, au fond de laquelle sont formés des orifices de sortie d’air ;
- l’aube comprend un insert situé dans la plateforme ;
- l’aube comprend un insert situé dans la pale ;
- l’insert est situé au niveau d’un bord de fuite de la pale ;
- le matériau à base de céramique est une céramique ou un composite à matrice céramique.
- l’insert a une forme générale parallélépipédique ou de patch avec une longueur comprise entre 5 et 15mm et une largeur comprise entre 3 et 10mm.
-- l’alliage à base de nickel est un superalliage à base nickel, éventuellement prévu pour une utilisation monocristalline ;
-- l’alliage à base de nickel peut faire partie de la famille des superalliages couramment utilisés pour les aubes de Turbine Haute Pression : AM1, CMSX4SLS, René N5, PW1484, etc. ;
-- le matériau céramique est à base de carbure de silicium.
La présente invention concerne également une turbine pour une turbomachine d’aéronef, comportant au moins une aube de rotor telle que décrite ci-dessus.
La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’une aube de rotor telle que décrite ci-dessus, dans lequel le procédé est basé sur le principe de la fabrication à la cire perdue et comprend les étapes de :
a) fabrication de l’insert,
b) montage de l’insert à l’intérieur d’une carapace et à côté d’un noyau,
c) coulée de l’alliage à base de nickel dans la carapace et autour du noyau et de l’insert de façon à réaliser le corps de l’aube,
d) retrait du noyau de façon à libérer la cavité de l’aube.
Dans ce procédé, c’est la solidification de l’alliage qui génère un retrait matière et peut se traduire par une précontrainte en compression du corps sur l’insert.
La présente invention concerne encore un procédé de fabrication d’une aube de rotor telle que décrite ci-dessus, dans lequel le procédé est basé sur le principe de la fabrication à la cire perdue et comprend les étapes de :
a) fabrication de l’insert,
c) coulée de l’alliage à base de nickel dans une carapace et autour d’un noyau,
d) retrait du noyau de façon à libérer la cavité de l’aube ainsi qu’un évidement destiné à recevoir l’insert, et
e) montage de l’insert dans l’évidement du corps par frettage.
Dans ce procédé, après le frettage, les pièces retrouvent une température telle que le corps peut générer une précontrainte en compression sur l’insert. Le frettage peut consister à chauffer le corps et/ou à refroidir l’insert, pour permettre le montage de l’insert dans l’évidement du corps.
Lors de l’étape b) et/ou c), le noyau (voire également l’insert lorsqu’il est présent) peut/peuvent être maintenu(s) en place dans la carapace par l’intermédiaire de picots qui traversent la carapace et prennent appui sur le noyau (voire l’insert).
Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
La est une vue schématique en coupe axiale et partielle d’une turbomachine d’aéronef ;
la est une vue schématique en perspective d’une aube de rotor
la est une vue schématique d’une extrémité libre de l’aube de la et montre des zones chaudes (température métal) difficiles à refroidir ;
la est une vue similaire à celle de la et montre d’autres zones à température métal élevées ;
la est une vue schématique en coupe transversale de l’aube de la et montre sa plateforme et des zones à température métal élevée ;
la est une vue très schématique d’un corps en alliage à base de nickel et d’un insert à base de céramique, lors d’une étape de frittage ; la est une vue très schématique d’un corps en alliage à base de nickel et d’un insert à base de céramique ;
la est un organigramme montrant des étapes d’un procédé selon l’invention de fabrication d’une aube de rotor, selon deux variantes ; et
la est une vue schématique en perspective d’une carapace utilisée dans le cadre de l’une des variantes du procédé de fabrication de la .

Claims (11)

  1. Aube de rotor (20) pour une turbomachine (1) d’aéronef, cette aube (20) comportant une pale (21) reliée par une plateforme (22) à un pied (23), l’aube (20) comportant une cavité interne configurée pour autoriser le passage d’un flux d’air de refroidissement, l’aube (20) comportant un corps (36) réalisé en alliage à base de nickel, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un insert (32) logé dans un évidement (33) du corps (31) et réalisé dans un matériau à base de céramique, ledit insert ayant une forme complémentaire de celle dudit évidement.
  2. Aube de rotor (20) selon la revendication 1, dans laquelle elle comprend un insert (32) situé à une extrémité libre de la pale (21), opposée au pied (23).
  3. Aube de rotor (20) selon la revendication 2, dans laquelle l’insert (32) forme au moins une partie d’une baignoire à l’extrémité libre de la pale (21), au fond de laquelle sont formés des orifices (29) de sortie d’air.
  4. Aube de rotor (20) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle elle comprend un insert (32) situé dans la plateforme (22).
  5. Aube de rotor (20) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle elle comprend un insert (32) situé dans la pale (21).
  6. Aube de rotor (20) selon la revendication 5, dans laquelle l’insert (32) est situé au niveau d’un bord de fuite (27) de la pale (21).
  7. Aube de rotor (20) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le matériau à base de céramique est une céramique ou un composite à matrice céramique.
  8. Aube de rotor (20) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’insert (32) a une forme générale parallélépipédique ou de patch avec une longueur comprise entre 5 et 15mm et une largeur comprise entre 3 et 10mm.
  9. Turbine (6a) pour une turbomachine (1) d’aéronef, comportant au moins une aube de rotor (20) selon l’une des revendications précédentes.
  10. Procédé de fabrication d’une aube de rotor (20) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le procédé est basé sur le principe de la fabrication à la cire perdue et comprend les étapes de :
    a) fabrication de l’insert (32),
    b) montage de l’insert (32) à l’intérieur d’une carapace et à côté d’un noyau,
    c) coulée de l’alliage à base de nickel dans la carapace et autour du noyau et de l’insert de façon à réaliser le corps (31) de l’aube,
    d) retrait du noyau de façon à libérer la cavité de l’aube.
  11. Procédé de fabrication d’une aube de rotor (20) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le procédé est basé sur le principe de la fabrication à la cire perdue et comprend les étapes de :
    a) fabrication de l’insert (32),
    c) coulée de l’alliage à base de nickel dans une carapace et autour d’un noyau,
    d) retrait du noyau de façon à libérer la cavité de l’aube ainsi qu’un évidement (33) destiné à recevoir l’insert (32), et
    e) montage de l’insert dans l’évidement (33) du corps (31) par frettage.
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