WO2010142599A1 - Procede de reduction de diametre d'un orifice - Google Patents

Procede de reduction de diametre d'un orifice Download PDF

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    • Y10T29/49718—Repairing
    • Y10T29/49748—Repairing by shaping, e.g., bending, extruding, turning, etc.

Definitions

  • the present invention relates to a method of reducing the diameter of an orifice.
  • the drilling of orifices, in particular by machining presents particular tolerance problems. While an insufficient diameter can be corrected by re-machining the workpiece, it is not possible to recover lost material when the orifice reaches an excessive diameter. For this reason, such parts are normally unrecoverable and discarded, with a consequent cost.
  • a first object of the present application is therefore to provide a method for reducing the diameter of an orifice, making it possible to recover parts in which the diameter of at least one orifice exceeds the required tolerances.
  • the method of the invention comprises a step of matting a periphery of the orifice.
  • a portion of the periphery material is pushed towards the inside of the orifice, reducing the diameter of the orifice.
  • said matting can be performed with a tool centered on the orifice.
  • a tool centered on the orifice.
  • a contact end of said tool may comprise a ball substantially spherical.
  • a ball for matting allows a substantial reduction in the diameter of the orifice with minimal impact on the surface coming into contact with the ball along the periphery of the orifice.
  • the contact end of said tool may, however, have other shapes, such as, for example, a substantially frustoconical shape.
  • said periphery of the orifice may be metallic.
  • a metallic material has a certain malleability allowing, within certain limits, the plastic deformation of the periphery of the orifice.
  • said periphery of the orifice may be of refractory alloy, such as, for example, a nickel-based alloy, such as Inconel® 718 or Hastelloy® X, a cobalt-based alloy, such as MAR M 509, or a nickel-iron alloy.
  • refractory alloys have a high cost and machining difficulties. The normal scrap rate is therefore high, as are the resulting costs.
  • the application of the process of the invention to pieces of refractory alloy therefore becomes more interesting.
  • the problem of low tolerances of variation of the diameter of the orifices is particularly in the case of parts comprising a plurality of small diameter orifices for the passage of a gaseous fluid. Such parts are normally required to have a permeability predetermined to said gaseous fluid. While too low permeability can be corrected by widening the gas through holes, too high permeability is not easily correctable and normally results in scrapping of parts.
  • a second object of the present application is therefore to provide a method for correcting the permeability of a part comprising a plurality of gaseous fluid passage orifices.
  • a permeability correction method comprises the steps of identifying at least one orifice having a diameter exceeding a predetermined upper limit, and reducing this diameter by the aforementioned diameter reduction method.
  • said correction method may further comprise a preliminary step of controlling the permeability of the part.
  • the permeability is corrected only beyond a predetermined maximum threshold.
  • Said orifices may be cooling orifices.
  • Such orifices generally have reduced diameters, but also have limited manufacturing tolerances.
  • Another object of the present invention is to limit the scrap and production costs of gas turbines, including turbojets, turboprops, turboshaft engines, etc.
  • Said part may be a hot section piece and / or combustion chamber, for example a combustion chamber bowl or a combustion chamber bottom. Details of the invention are described below with reference to the drawings.
  • Figure 1 shows a schematic view of an orifice before applying a diameter reduction method according to one embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a schematic view of the step of matting the periphery of the orifice of Figure 1 in the diameter reduction process according to one embodiment of the invention
  • Figure 3 shows a schematic view of the orifice of Figure 1 after applying the diameter reduction method according to one embodiment of the invention
  • Figure 4a shows a view of a matting tool for the diameter reduction process according to an embodiment of the invention
  • FIG. 4b shows a view of an alternative matting tool for the diameter reduction process according to one embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a sectional view of a gas turbine combustion chamber having two cooling orifices which can be processed by the diameter reduction method according to one embodiment of the invention.
  • an illustrated wall 1 has an orifice 2 whose actual diameter Dr is greater, up to 10%, than a maximum desired diameter D max .
  • the periphery 3 of the orifice 2 is mated with a tool 6 comprising, on a contact end 7, a ball 4 at substantially greater diameter, for example between 5 and 10 times greater than the diameter D r of the orifice 1.
  • This tool 6 is illustrated in Figure 4a.
  • the ball 4 is centered on the axis A of the orifice 2. In order to avoid bending deformation of the wall 1, the latter is supported on a support 5.
  • the pressure ball 4 causes a plastic deformation of the inlet periphery 3 of the orifice 2 flowing the material inwardly of the orifice 2. It thus forms a bead inwardly.
  • the diameter of the orifice 2 at its inlet periphery has decreased and is found below the desired maximum diameter D max .
  • the mechanical and thermal qualities of the wall 1 are weakly affected, in such a way it is possible to use the wall 1 in the manner in which it is designed.
  • the matting tool 6 is completed by a spherical or substantially spherical ball 4, other shapes may be used.
  • the tool 6 could be terminated by a frustoconical contact end 7, as illustrated in FIG. 4b.
  • the taper angle ⁇ would be greater than 120 °. More particularly, it would be greater than 150 °.
  • the method of the invention can also be applied to orifices having an angle with the casting pressure.
  • This angle can be, for example, 30 °, or less than 30 °, preferably less than 20 °.
  • the method of the invention is particularly useful for correcting an excess of permeability on parts having orifices for cooling by passage of a gaseous fluid, such as air.
  • the method of the invention may be useful for correcting excess permeability on hot section parts of a gas turbine, such as a bowl, a film or a combustion chamber bottom.
  • Figure 5 illustrates a detail of a combustion chamber 8 in such a hot gas turbine section.
  • This combustion chamber 8 comprises a bowl 9 and a film 10, having cooling orifices 2.
  • gas turbine hot section parts are generally made of refractory alloy, such as Inconel® 718, Hastelloy® X, or MAR M 509.
  • the orifices 2 are pierced by known machining techniques, such as than laser machining. It is therefore normally difficult to correct excessive permeability after machining.
  • the method of the invention can be implemented to correct an excess permeability of these parts by reducing the diameter of some of its orifices 2 cooling.
  • the permeability of the part 8 or 9 is controlled. If it exceeds a maximum threshold, the orifices 2 are measured individually to identify which exceed a maximum diameter D max . Then, these latter orifices 2 are treated according to the diameter reduction method described above, in order to reduce the permeability of the part and return to the tolerance range.
  • the refractory alloys used in such parts also have a high hardness. High matting forces will therefore normally be required. Table 1, below, reproduces examples of caulking such orifices in refractory alloy walls:

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Abstract

L'invention concerne un procédé de réduction de diamètre d'un orifice (2), comportant une étape de matage d'un pourtour (3) de l'orifice (2). L'invention concerne aussi un procédé de correction de la perméabilité d'une pièce (9,10) comportant une pluralité d'orifices (2) de passage de fluide gazeux. Le procédé est caractérisé par le fait qu' il comporte les étapes d'identification d'au moins un orifice (2) dont un diamètre Dr excède une limite supérieure Dmax prédéterminée et de réduction dudit diamètre excessif Dr par matage d'un pourtour de l'orifice (2).

Description

PROCEDE DE REDUCTION DE DIAMETRE D'UN ORIFICE
La présente invention se rapporte à un procédé de réduction de diamètre d'un orifice. Le perçage d'orifices, en particulier par usinage, présente des problèmes de tolérance particuliers. Alors qu'un diamètre insuffisant peut être corrigé en ré-usinant la pièce, il n'est pas possible de récupérer du matériau perdu lorsque l'orifice atteint un diamètre excessif. Pour cette raison, de telles pièces sont normalement irrécupérables et vont au rebut, avec un coût conséquent .
Un premier objet de la présente demande est donc de fournir un procédé de réduction de diamètre d'un orifice, permettant de récupérer des pièces dans lesquelles le diamètre d'au moins un orifice dépasse les tolérances requises.
Le procédé de l'invention comporte une étape de matage d'un pourtour de l'orifice. En matant un pourtour de l'orifice, une partie du matériau du pourtour est repoussée vers l'intérieur de l'orifice, réduisant le diamètre de ce dernier.
Avantageusement, ledit matage peut être effectué avec un outil centré sur l'orifice. De cette manière il est possible d'obtenir une réduction de diamètre régulière sur tout le périmètre de l'orifice, maintenant ainsi la forme initiale de l'orifice.
Avantageusement, une extrémité de contact dudit outil peut comporter une bille sensiblement sphérique. L'utilisation d'une telle bille pour le matage permet une réduction sensible du diamètre de l'orifice avec un impact minimal sur la surface venant en contact avec la bille le long du pourtour de l'orifice.
L'extrémité de contact dudit outil peut toutefois présenter d'autres formes, telles que, par exemple, une forme sensiblement tronconique.
Avantageusement, ledit pourtour de l'orifice peut être métallique. Un matériau métallique présente une certaine malléabilité permettant, dans certaines limites, la déformation plastique du pourtour de 1' orifice .
Plus particulièrement, ledit pourtour de l'orifice peut être en alliage réfractaire, tel que, par exemple un alliage à base de nickel, comme l'Inconel® 718 ou l'Hastelloy ® X, un alliage à base de cobalt, comme le MAR M 509, ou un alliage à base de nickel-fer. Des tels alliages réfractaires présentent un coût élevé et des difficultés d'usinage. Le taux normal de rebut est donc élevé, tout comme les coûts en résultant. L'application du procédé de l'invention à des pièces en alliage réfractaire ne devient donc que plus intéressante. Le problème des faibles tolérances de variation du diamètre des orifices se présente particulièrement dans le cas de pièces comportant une pluralité d'orifices de faible diamètre pour le passage d'un fluide gazeux. Des telles pièces sont normalement tenues de présenter une perméabilité prédéterminée audit fluide gazeux. Tandis qu'une perméabilité trop réduite peut être corrigée en élargissant les orifices de passage du gaz, une perméabilité trop élevée n'est pas facilement corrigeable et entraîne normalement le rebut des pièces .
Un deuxième objet de la présente demande est donc de fournir un procédé de correction de la perméabilité d'une pièce comportant une pluralité d'orifices de passage de fluide gazeux.
Un procédé de correction de perméabilité suivant l'invention comporte les étapes d'identification d'au moins un orifice dont un diamètre excède une limite supérieure prédéterminée, et de réduction de ce diamètre par le procédé de réduction de diamètre susmentionné.
Avantageusement, ledit procédé de correction peut en outre comporter une étape préalable de contrôle de la perméabilité de la pièce. Ainsi, la perméabilité n'est corrigée qu'au delà d'un seuil maximum prédéterminé.
Lesdits orifices peuvent être des orifices de refroidissement. Des tels orifices présentent généralement des diamètres réduits, mais présentant aussi des tolérances de fabrication limitées. En outre, afin de maintenir un certain profil de température sur la pièce, ils sont distribués sur celle-ci avec des contraintes de position très strictes. Il n'est donc normalement pas possible de corriger une perméabilité excessive d'une telle pièce en rebouchant simplement certains des trous de refroidissement .
Un autre objet de la présente invention est de limiter le rebut et les coûts de production de turbines à gaz, incluant turboréacteurs, turbopropulseurs, turbomoteurs, etc. Ladite pièce peut être une pièce de section chaude et/ou de chambre de combustion, par exemple un bol de chambre de combustion ou un fond de chambre de combustion. Des détails concernant l'invention sont décrits ci-après faisant référence aux dessins.
La figure 1 montre une vue schématique d'un orifice avant d'y appliquer un procédé de réduction de diamètre suivant un mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 montre une vue schématique de l'étape de matage du pourtour de l'orifice de la figure 1 dans le procédé de réduction de diamètre suivant un mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 montre une vue schématique de l'orifice de la figure 1 après y avoir appliqué le procédé de réduction de diamètre suivant un mode de réalisation de l'invention ; la figure 4a montre une vue d'un outil de matage pour le procédé de réduction de diamètre suivant un mode de réalisation de l'invention ; la figure 4b montre une vue d'un outil de matage alternatif pour le procédé de réduction de diamètre suivant un mode de réalisation de l'invention, et la figure 5 montre une vue en coupe d'une chambre de combustion de turbine à gaz présentant deux orifices de refroidissement pouvant être traités par le procédé de réduction de diamètre suivant un mode de réalisation de l'invention.
Dans la figure 1, une paroi 1 illustrée présente un orifice 2 dont le diamètre réel Dr est supérieur, jusqu'à 10%, à un diamètre maximum désiré Dmax. Dans un mode de réalisation, illustré sur la figure 2, du procédé de réduction de diamètre suivant l'invention, le pourtour 3 de l'orifice 2 est maté avec un outil 6 comportant, sur une extrémité de contact 7, une bille 4 au diamètre sensiblement supérieur, par exemple entre 5 et 10 fois supérieur, au diamètre Dr de l'orifice 1. Cet outil 6 est illustré sur la figure 4a. Pendant le matage illustré sur la figure 2, la bille 4 est centrée sur l'axe A de l'orifice 2. Pour éviter une déformation en flexion de la paroi 1, celle-ci est appuyée sur un support 5. Ainsi, la pression de la bille 4 provoque une déformation plastique du pourtour 3 d'entrée de l'orifice 2 faisant fluer le matériau vers l'intérieur de l'orifice 2. Il se forme ainsi un bourrelet vers l'intérieur. Quand le matage est terminé, comme illustré sur la figure 3, le diamètre de l'orifice 2 au niveau de son pourtour d'entrée a diminué et se retrouve en dessous du diamètre maximum désiré Dmax. En même temps, les qualités mécaniques et thermiques de la paroi 1 sont faiblement affectées, de telle manière qu'il est possible d'utiliser la paroi 1 de la manière pour laquelle elle est conçue.
Bien que dans l'étape de matage illustrée sur la figure 2 l'outil de matage 6 soit terminé par une bille 4 sphérique ou sensiblement sphérique, d'autres formes peuvent être utilisées. Par exemple, l'outil 6 pourrait être terminé par une extrémité de contact 7 tronconique, comme illustré sur la figure 4b. De préférence, l'angle de conicité α serait supérieur à 120°. Plus particulièrement, il serait supérieur à 150°.
Bien que dans le mode de réalisation illustré, l'outil 6 soit aligné avec l'axe de l'orifice 2, le procédé de l'invention peut être aussi appliqué sur des orifices présentant un angle avec la pression de matage. Cet angle peut être, par exemple, de 30°, ou moins de 30°, de préférence moins de 20°.
Le procédé de l'invention est particulièrement utile pour corriger un excès de perméabilité sur des pièces présentant des orifices pour le refroidissement par passage d'un fluide gazeux, tel que l'air. En particulier, le procédé de l'invention peut être utile pour corriger un excès de perméabilité sur des pièces de section chaude d'une turbine de gaz, comme par exemple un bol, un film ou un fond de chambre de combustion. La figure 5 illustre un détail d'une chambre de combustion 8 dans une telle section chaude de turbine de gaz. Cette chambre de combustion 8 comporte un bol 9 et un film 10, présentant des orifices 2 de refroidissement. De telles pièces de section chaude de turbine de gaz sont généralement produites en alliage réfractaire, tel que l'Inconel® 718, l'Hastelloy® X, ou le MAR M 509. Les orifices 2 sont percés par des techniques d'usinage connues, tel que l'usinage laser. Il est donc normalement difficile de corriger une perméabilité excessive après usinage. Le procédé de l'invention peut être mis en œuvre pour corriger un excès de perméabilité de ces pièces en réduisant le diamètre de certains de ses orifices 2 de refroidissement.
Pour cela, dans une première étape, la perméabilité de la pièce 8 ou 9 est contrôlée. Si elle dépasse un seuil maximum, les orifices 2 sont mesurés individuellement pour identifier lesquels dépassent un diamètre maximum Dmax. Ensuite, ces derniers orifices 2 sont traités suivant le procédé de réduction de diamètre décrit ci-dessus, afin de réduire la perméabilité de la pièce et rentrer dans l'intervalle de tolérance. Les alliages réfractaires utilisés dans de telles pièces présentent aussi une dureté élevée. Des forces de matage élevées seront donc normalement requises. La table 1, ci-dessous, reproduit des exemples de matage de tels orifices dans des parois d'alliage réfractaire :
Figure imgf000009_0001
Table 1 : Exemples de matage
Grâce au procédé suivant l'invention, il est donc possible de récupérer des pièces qui seraient autrement destinées au rebut.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, 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. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif.

Claims

Revendications
1. Procédé de réduction de diamètre d'un orifice (2), caractérisé par le fait qu'il comporte une étape de matage d'un pourtour (3) de l'orifice (2) effectué avec un outil dont l'extrémité de contact est de forme sphérique ou sensiblement sphérique ou tronconique .
2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel ledit matage est effectué avec un outil (6) centré sur l'orifice (2).
3. Procédé suivant la revendication 2, dans lequel une extrémité de contact (7) dudit outil (6) comporte une bille (4) .
4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit pourtour (3) de l'orifice (2) est métallique.
5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit pourtour (3) de l'orifice (2) est en alliage réfractaire.
6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre de l'orifice (2) est compris entre 0,5 et 3 mm.
7. Procédé de correction de la perméabilité d'une pièce (9,10) comportant une pluralité d'orifices (2) de passage de fluide gazeux, caractérisé par le fait qu' il comporte les étapes suivantes : identification d'au moins un orifice (2) dont un diamètre (Dr) excède une limite supérieure (Dmax) prédéterminée ; réduction dudit diamètre excessif (Dr) par un procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 6.
8. Procédé suivant la revendication 7, comportant une étape préalable de contrôle de la perméabilité de la pièce (9,10).
9. Procédé suivant l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel lesdits orifices (2) sont des orifices de refroidissement. 10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel ladite pièce (9,
10) fait partie d'une section chaude de turbine à gaz.
11. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel ladite pièce (9,10) fait partie d'une chambre de combustion (8) .
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