FR3074520A1 - Piece tournante pour turbomachine - Google Patents
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Abstract
Pièce tournante pour turbomachine bénéficiant d'un meilleur comportement à haute température, comprenant une première partie (21) réalisée essentiellement en un premier matériau, la première partie (21) déterminant une surface active (12) de la pièce tournante (10) prévue pour être en contact une veine d'air (I) d'une turbomachine (1), et une deuxième partie (22) réalisée essentiellement en un deuxième matériau, la deuxième partie (22) s'étendant au moins le long d'une deuxième surface (13) de la pièce tournante (10), distante de ladite surface active (12) tout en étant prévue pour jouxter au moins partiellement la veine d'air (I) de la turbomachine (1), dans laquelle le deuxième matériau possède une conductivité thermique inférieure à 10 W/m.K à 600°C.
Description
DOMAINE DE L'INVENTION [0001] Le présent exposé concerne une pièce tournante pour turbomachine bénéficiant d'un meilleur comportement à haute température.
[0002] Il peut notamment- s'agir d'une roue aubagée d'un moteur d'aéronef, par exemple un rouet centrifuge de compresseur hautepression.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0003] Dans- certains- turboréacteurs d'avion de petite taille, le compresseur haute pression prend' la forme d'au moins un compresseur centrifuge présentant un rouet centrifuge. En effet, ce type de compresseur permet d'atteindre des taux de compression élevés tout en conservant une bonne compacité. Ainsi, dans le domaine aéronautique, les compresseurs centrifuges de ce type permettent généralement d'atteindre des taux de compression d'environ 6 ou 8, un taux de compression global de 18 ou 20 étant alors attei nt en sortie du compresseur centrifuge, ce qui porte la veine d'air à une température de sortie d'environ 450°C.
[0004] Toutefois, il est désormais souhaité d'augmenter les performances de ce type de turboréacteurs : les inventeurs souhaitent alors augmenter le taux de compression de ce type de compresseur centrifuge jusqu'aux alentours de 10 et atteindre au global un taux de compression de 28, voire 30, en sortie du compresseur centrifuge, entraînant dès lors des températures- de sortie de l'ordre de 550°C, voire de 600°C dans certaines phases de vol.
[0005] Or, les rouets centrifuges actuels n'ont pas été conçus pour supporter de telles· températures sans aménagements pour optimiser leur durée de vie en service. En particulier, une température de -sortie plus importante implique des- gradients thermiques plus importants au sein du rouet, augmentant dès lors les contraintes mécaniques subies par la pièce et réduisant sa durée de vie en conséquence.
[0006] En outre, l'élévation des températures entraîne des déformations plus importantes de la pièce : en particulier, comme cela est visible sur la FIG. 3 représentative de l'état de la technique, on assiste à un repli vers l'amont de la partie aval du rouet (les déformations, visibles en trait interrompu, sont amplifiées sur la -FIG. 3 à fins de visualisation).
Ce repli entraîne d'une part des défauts d'alignement de veine d'air, ce qui impacte les performances aéromécaniques du compresseur et donc -son rendement ; d'autre part, il nécessite d'ouvrir tes jeux entre les pales du rouet et le carter afin d'éviter des contacts entre ces derniers, ce qui 5 impacte à nouveau le rendement du compresseur.
[0007] Une solution envisagée pour résoudre ce problème serait de modifier la géométrie du rouet, et notamment d'épaissir certaines parties du rouet, afin de mieux résister -aux contraintes thermiques et limiter la -déformation engendrée. Toutefois, une telle solution entraîne 10 une augmentation non négligeable de la masse du rouet ainsi -que de son encombrement et impacte fortement la fabrication de la pièce.
[0008] Il existe donc un réel besoin pour une pièce tournante qui soit- dépourvue, au moins en partie, des 'inconvénients -inhérents aux configurations connues précitées.
PRESENTATION DE L'INVENTION [0009] Le présent exposé· concerne une pièce tournante pour turbomachine, comprenant une- première partie réalisée essentiellement en un premier matériau, la première partie déterminant une surface active 20 de la pièce tournante prévue pour être en contact d'une veine d'air d'une turbomachine, et une deuxième partie réalisée essentiellement en un deuxième matériau, la deuxième partie s'étendant au moins le long d'une deuxième surface de la pièce tournante, distante de ladite- surface active tout en étant prévue pour jouxter au moins partiellement la veine d'air de 25 la turbomachine, dans laquelle le deuxième matériau possède une conductivité thermique inférieure à 10 W/m.K à 600°C.
[0010] Dans le présent exposé, on considère qu'une pièce ou une partie de pièce est réalisée essentiellement en un matériau donné lorsqu'elle est formée à au moins 80%, de préférence 90%, de préférence 30 encore 99%, par ce matériau.
[0011] En outre, dans le présent exposé, les termes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à l'axe principal de la turbomachine, soit l'axe principal de la pièce tournante ; on entend par « plan axial » un plan passant par 35 l'axe principal de la turbomachine et par « pian radial » un plan perpendiculaire à cet- axe principal ; enfin, les- termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation de l'air dans la turbomachine.
[0012] Les inventeurs ont constaté que réduire· localement la conductivité thermique de la pièce, grâce à la mise en place d'une telle 5 deuxième partie réalisée en un matériau de plus faible conductivité thermique, permettait d'améliorer nettement le comportement global de la pièce.
'[0013] En particulier, on constate une déformation beaucoup plus faible de la pièce, ce qui réduit les désalignements de veine et permet de 10 limiter la teille des jeux : 1e rendement· global de la turbomachine est ainsi amélioré.
[0014] De plus, on constate des gradients thermiques plus faibles que dans le cas d'une pièce formée d'un unique matériau : en conséquence, les contraintes thermiques subies par la pièce sont réduites, 15 ce qui augmente sa durée de vie.
[0015] Par ailleurs, tes inventeurs ont remarqué qu'une épaisseur même réduire de deuxième, matériau permettait d'obtenir des gains notables, de telle sorte qu'il est -envisageable de conserver la gamme de fabrication de la pièce inchangée, formant ainsi la première partie, et de 20 rapporter la deuxième partie sur cette dernière sans augmenter de manière significative la taille et la masse de la pièce. En tout état de cause, il est possible de choisir un deuxième matériau plus léger que le premier matériau pour limiter d'autant plus l'accroissement de masse.
[0016] Dans certains modes de réalisation, le deuxième matériau possède une conductivité thermique inférieure à 5 W/m.K à 600°C, de préférence inférieure à 2 W/m.K à 600°C. En effet, plus la conductivité thermique du deuxième matériau est faible, plus 1e comportement de la pièce tournante à haute température est bon.
[0017] Dans certains modes de réalisation, la masse volumique du 30 deuxième matériau est strictement inférieure à la masse volumique -du premier matériau, de préférence au moins deux fois inférieure à la masse volumique du premier matériau. Comme cela a été mentionné ci-dessus, ceci permet de limiter la masse de la pièce. Dans le présent exposé, les masses volumiques sont données à 20°C et sous 1 atm.
[0018] Dans certains modes de réalisation, la masse volumique du deuxième matériau est inférieure à 5 g/cm3.
[0019] Dans certains modes de réalisation, le deuxième matériau est capable de supporter une température d'au moins 600°C. Dans le présent exposé, on considère qu'un matériau est capable de supporter une température donnée lorsqu'il peut atteindre cette température sans dégradation et sans changement d'état notable. A cet égard, on considère que la dégradation est toute destruction ou altération irréversible des propriétés d'un matériau, par exemple par rupture de la chaîne moléculaire et/ou réaction chimique, de façon à transformer les molécules en éléments plus petits.
[0020] Dans certains modes de réalisation, le deuxième matériau est un matériau abradable.
[0021] Dans certains modes de réalisation, le deuxième matériau est un matériau du type CoNiCrAlY-BN-Polyester. Il peut notamment s'agir des matériaux connus sous les dénominations commerciales Metco 2042 et Metco 2043 (commercialisés par la société Oerlikon).
[0022] Dans certains modes de réalisation, le premier matériau est un alliage à base de nickel et de fer. Il peut notamment s'agir d'Inconel, par exemple d'Inconel 718 (marques commerciales).
[0023] Dans certains modes de réalisation, la deuxième partie prend la forme d'une couche s'étendant le long d'au moins une surface de la première partie. Une telle couche permet de modifier localement la conductivité thermique de la pièce sans altérer les propriétés mécanique de la pièce assurées par le premier matériau.
[0024] Dans certains modes de réalisation, l'épaisseur de la couche formée par la deuxième partie est comprise entre 1 et 3 mm, de préférence en choisissant des valeurs proche du maximal précité en intervalle, par exemple entre 2 et 3 mm, de préférence même entre 2,5 et 3 mm. Une telle épaisseur réduite assure une bonne accroche de la couche de deuxième matériau et limite l'encombrement et la masse de la pièce.
[0025] Dans certains modes de réalisation, la deuxième partie s'étend le long d'une surface de la pièce tournante sensiblement radiale. On entend ici que ladite surface diverge au maximum de 10° par rapport à un plan radial de la pièce.
[0026] Dans certains modes de réalisation, la deuxième partie s'étend depuis la périphérie la plus distale de la pièce tournante.
[0027] Dans certains modes de réalisation, la surface active est aubagée et s'étend exclusivement le long de la première partie de la -pièce tournante. Ainsi, la deuxième partie de la pièce est munie d'aucun aubage.
[0028] Dans certains modes de réalisation, la deuxième partie de la pièce tournante s'étend sensiblement depuis une- extrémité de la surface aubagée, de préférence depuis l'extrémité aval de la surface aubagée. Au moins l'extrémité de la deuxième partie de la pièce jouxte· donc la veine d'air de la turbomachine, de préférence la partie la plus chaude de la veine d'air et donc de la pièce.
[0029] Dans certains modes de réalisation, la pièce'tournante est une roue aubagée.
[0030] Dans certains modes de réalisation, la deuxième partie de la pièce tournante s'étend le long de la surface arrière de la roue aubagée. Par l'expression « le long de la surface arrière de la roue aubagée », on entend une surface opposée à la surface active au contact du flux. La deuxième partie est considérée en s'étendant vers l'opposé à une extrémité amont et une extrémité distale appartenant à la pièce tournante en ayant pour référentiel le flux d'air et/ou l'axe de rotation de la pièce. Elle peut ainsi jouxter une circulation de fuite amont ou aval de la pièce tournante, protégeant ainsi la pièce de la chaleur apportée par cette circulation de fuite. En particulier, la deuxième partie de la pièce tournante peut se situer le long d'une zone de la pièce tournante à laquelle l'épaisseur au regard de la surface active est variable, en ayant pour conséquence des gradients thermiques variés.
[0031] Dans certains modes de réalisation, la deuxième partie de la -pièce tournante s'étend sur au moins 50%, et de préférence 90% de la surface arrière de la roue aubagée.
[0032] Dans certains modes de réalisation, la pièce tournante est un rouet de compresseur centrifuge.
[0033] Dans certains modes de réalisation, le rouet est configuré pour assurer un taux de compression supérieur à 8, de préférence supérieur à 10. En conséquence, la température de sortie de la veine d'air peut atteindre 550°C, voire 600°C.
[0034] Dans certains modes de réalisation, la deuxième partie est formée par projection du deuxième matériau sur la première partie de la pièce tournante. Il peut notamment s'agir d'une projection thermique. De cette manière, la gamme de fabrication de la première partie de la pièce peut rester inchangée. Une étape de rectification peut avoir lieu pour ajuster les cotes et l'état de surface de la deuxième partie de pièce.
[0035] Dans certains modes de réalisation, les première et deuxième parties sont fabriquées conjointement par fabrication additive.
[0036] Le présent exposé concerne également un compresseur, comprenant une pièce tournante selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents. Il peut- notamment s'agir d'un rouet de compresseur centrifuge prévu pour former le compresseur haute pression d'une turbomachine.
[0037] Dans certains modes de réalisation, le compresseur comprend un module de compression basse pression et un module de compresseur haute pression situé en aval du module de compression basse pression ; ladite pièce tournante fait partie du module de compression haute pression ; et le compresseur est configuré pour assurer un taux de compression global supérieur à 25, de préférence supérieur à
28.
[0038] Le présent exposé concerne également une turbomachine, comprenant une pièce tournante ou un compresseur selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents.
[0039] Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d’autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation de la pièce tournante proposée. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.
BREVE' DESCRIPTION DES DESSINS [0040] Les dessins annexés sont schématiques et visent -avant· tout à illustrer les principes de (Invention.
[0041] Sur ces dessins, d'une figure (FIG) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes -signes de réference.
La FIG 1 est un plan en coupe d'une turbomachine selon l'exposé.
La FIG 2 est une vue en coupe d'un compresseur selon l'exposé.
%
La FIG 3 est une vue en coupe d'un rouet -selon l'état de la technique.
DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLE(S) DE REALISATION [0042] Afin de rendre plus concrète l'invention, un exemple de pièce tournante est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.
[0043] La FIG 1 représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un turboréacteur à simple flux 1 selon l'invention. Il comporte, d'amont en aval selon la circulation du flux d'air, un compresseur basse pression 3, du type axial, un compresseur haute pression 4, du type centrifuge, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6, et une turbine basse pression 7.
[0044] Le compresseur 'haute pression 4 est représenté plus en détail sur la FIG 2. Il comprend un rouet 10, solidaire de l'arbre hautepression 9 du turboréacteur 1, tournant au sein d'un carter comportant un couvercle 31 en amont et une virole 32 en aval.
[0045] Le rouet 10 comprend un alésage central 11, permettant sa connexion sur l'arbre haute pression 9, une surface active 12, de révolution et aubagee, et une surface arrière 13, également de révolution. La surface active 12 est courbe, sa pente évoluant de manière continue depuis une bordure amont 12m, prévue à l'extrémité avant 10m, ou extrémité amont, du rouet 10 et possédant une tangente axiale, jusqu'à une bordure aval 12v, prévue à l'extrémité distale lOd du rouet 10 et possédant une tangente radiale. La surface active 12 porte une pluralité de pales 14, réparties régulièrement autour de l'axe principal A, s'étendant sensiblement depuis la bordure amont 12m de la surface active 12 jusqu'à sa bordure aval 12v. La surface arrière 13 s'étend pour sa part sensiblement radialement au dos de la surface active 12 : elle s'étend ainsi depuis l'extrémité distale lOd du rouet 10 jusqu'à une paroi annulaire 15 s'étendant axialement depuis la surface arrière 13 du rouet.
[0046]' Le couvercle 31 possède une géométrie sensiblement complémentaire à celle de la surface active 12 du rouet : un jeu e est prévu entre le couvercle 31 et le sommet des- pales 14 du rouet 10. L'espace ainsi laissé entre la surface active 12 du rouet 10 et le couvercle 31 définit la veine d'air principale I du compresseur 4. La surface active 12 est qualifiée de surface· active du fait du contact avec- la veine et du fait qu'elle est aubagee. Dans cet exemple, le compresseur 4 possède un taux de compression environ égal à 10, c'est-à-dire que la pression de l'air à la sortie du compresseur 4, c'est-à-dire à l'extrémité distale lOd du rouet 10z est 10 fois supérieure à la pression de l'air à l'entrée du turboréacteur 1 du compresseur haute pression 4. De plus, au global, l'ensemble des compresseurs 3, 4 permet d'atteindre un taux de compression environ égal à 30, c'est-à-dire que la pression de l'air à la sortie du compresseur haute pression 4 est 30 fois supérieure à la pression de l'air à l'entrée du compresseur basse pression 3.
[0047] La virole 32 possède pour sa part un tronçon radial 32a en vis-à-vis de l'extrémité distale lOd du rouet puis un tronçon oblique 32b partant vers l'aval jusqu'à atteindre un tronçon axial 32c s'étendant coaxialement à la paroi annulaire 15 du rouet 10. Un jeu f est prévu entre le tronçon radial 32a de la virole 32 et la surface arrière 13 du rouet 10. L'espace ainsi laissé entre la surface arrière 13 du rouet 10 et la virole 32 définit une circulation de fuite II du compresseur 4, pouvant notamment servir au refroidissement de certains organes du turboréacteur 1.
[0048] Une première partie 21 du rouet 10, ou partie principale, est réalisée de manière monobloc en superalliage base nickel : la première partie 21 comprend notamment la portion centrale du rouet 10 entourant l'alésage 11, la surface active 12 et les pales 14. Dans cet exemple, cette première partie 21 est réalisée par forgeage en Inconel 718 (marque commerciale).
[0049] Une deuxième partie 22 est rapportée sur la face arrière de la première partie 21 et forme ainsi la surface arrière 13 du rouet 10. Plus précisément, la deuxième partie 22 prend la forme d'un couche superficielle annulaire s'étendant depuis l'extrémité distale lOd du rouet jusqu'à une bordure circulaire proximale 22p située à une distance radiale de l'axe principal A inférieure ou égale à la distance radiale de l'extrémité avant 10m du rouet 10 par rapport à l'axe A. En pratique, la deuxième partie 22 s'étend pratiquement jusqu'à la paroi annulaire 15 du rouet 10. Ainsi, la deuxième partie 22 du rouet 10 est en contact avec la circulation de fuite II du compresseur 4 sur toute sa surface et n'est séparée de ia veine d'air principale I que par l'extrémité distale lOd du rouet 10, jouxtant ainsi cette veine d'air principale I.
[0050] Dans cet exemple, la deuxième partie 22 est réalisée en Metco 2043, un matériau abradable du type CoNiCrAlY-BN-Polyester commercialisé par la société Oerlikon ; elle est déposée sur la surface arrière de la première partie 21 du rouet 10 par projection thermique.
[0051] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie 5 par les revendications. En particulier, des caractéristiques 'individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés 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.
[0052] II est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.
Claims (12)
- REVENDICATIONS5 1. Pièce tournante pour turbomachine, comprenant une première partie (21) réalisée essentiellement en un premier matériau, la première partie (21) déterminant une surface active (12) de la pièce tournante (10) prévue pour être en contact d'une veine d'air (I) d'une turbomachine (1), et10 une deuxième partie (22) réalisée essentiellement en un deuxième matériau, la deuxième partie (22) s'étendant au moins le long d'une deuxième surface (13) de la pièce tournante (10), distante de ladite surface active (12) tout en étant prévue pour jouxter au moins partiellement la veine d'air (I) de la turbomachine (1),15 dans laquelle le deuxième matériau possède une conductivité thermique inférieure à 10 W/m.K à 600°C.
- 2. Pièce tournante selon la revendication 1, dans laquelle la masse volumique du deuxième matériau est strictement inférieure à la masse20 volumique du premier matériau, de préférence au moins deux fois inférieure à la masse volumique du premier matériau.
- 3. Pièce tournante selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le deuxième matériau est capable de supporter une température d'au moins25 600°C.
- 4. Pièce tournante selon l'une quelconque des revendications 1 a3, dans laquelle le deuxième matériau est un matériau abradable.30 ,5. Pièce tournante- selon l'une quelconque des revendications 1 à4, dans laquelle le deuxième matériau est un matériau du type CoNiCrAlYBN-Polyester.6. Pièce tournante selon l'une quelconque des' revendications 1 à35 5, dans laquelle la deuxième partie (22) prend la forme d'une couche s'étendant le long d'au moins une surface de là première partie-(21),Il dans laquelle· l'épaisseur de la couche formée par la deuxième partie (22) est comprise entre 1 et 3 mm.
- 5 7. Pièce tournante· -selon Tune quelconque des revendications 1 à
- 6, dans laquelle la surface active- (12) est aubagée et s'étend exclusivement le long de la première partie (21) de la pièce tournante (10), et dans laquelle la deuxième partie (22) de la pièce tournante (10)10 s'étend sensiblement depuis une extrémité (12v) de la surface aubagée (12).8. Pièce tournante selon l'une quelconque des -revendications 1 à
- 7, dans laquelle la pièce tournante est une roue aubagée (10), et15 dans laquelle la deuxième partie (22) de la pièce tournante (10) s'étend le long de la surface arrière (13) de la roue aubagée (10).9. Pièce tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à
- 8, dans laquelle la pièce tournante est un rouet (10) de compresseur20 centrifuge (4), dans laquelle 1e rouet (10) est configuré pour assurer un taux de compression supérieur à 8, de préférence supérieur à 10.
- 10. Pièce· tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à25 9, dans laquelle la deuxième partie (22) est formée par projection du deuxième matériau-sur la première partie (21) de la pièce tournante (10).
- 11. Compresseur, comprenant une pièce tournante (10) selon Tune quelconque des revendications précédentes.
- 12. Compresseur selon la revendication précédente, comprenant un module de compression basse pression (3) et un module de compresseur haute- pression (4) situé en aval du module de compression basse pression (3.),35 dans lequel ladite pièce tournante fait partie du module- de compression haute pression (4), et dans lequel le compresseur est configuré pour assurer un taux de compression global supérieur à 25, de préférence supérieur à 28,
- 13. Turbomachine, comprenant une pièce tournante (10) selon 5 l'une quelconque des revendications 1 à 10 ou un compresseur (3, 4) selon la revendication 11 ou 12.
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FR1761621A FR3074520B1 (fr) | 2017-12-05 | 2017-12-05 | Piece tournante pour turbomachine |
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FR1761621A FR3074520B1 (fr) | 2017-12-05 | 2017-12-05 | Piece tournante pour turbomachine |
Publications (2)
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FR3074520A1 true FR3074520A1 (fr) | 2019-06-07 |
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Citations (3)
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DE4417095A1 (de) * | 1994-05-16 | 1995-11-23 | Abb Management Ag | Verdichterrad |
WO2003059529A1 (fr) * | 2002-01-14 | 2003-07-24 | Sulzer Metco (Us) Inc. | Poudre composite abradable dessechee par atomisation haute temperature pour pulverisation par combustion et revetement d'isolation abradable produit a l'aide de cette poudre |
EP1985801A1 (fr) * | 2007-04-23 | 2008-10-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Revêtement de turbine |
-
2017
- 2017-12-05 FR FR1761621A patent/FR3074520B1/fr active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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EP1985801A1 (fr) * | 2007-04-23 | 2008-10-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Revêtement de turbine |
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