FR3118092A1 - TURBOMACHINE DISTRIBUTOR IN COMPOSITE MATERIAL WITH CERAMIC MATRIX WITH SHORT FIBER MANIFOLD - Google Patents
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Abstract
Distributeur de turbomachine en matériau composite à matrice céramique avec collecteur en fibres courtes Distributeur (100) de turbomachine comprenant : une plateforme interne (102) et une plateforme externe (101) ; une pluralité d’aubes (110) placée entre les plateformes interne et externe, les aubes étant en matériau composite comprenant un renfort fibreux de fibres continues densifié par une matrice céramique, et un collecteur (120) présent sur une surface inférieure de la plateforme interne et solidaire de la pluralité d’aubes, caractérisé en ce que le collecteur est en matériau composite comprenant un renfort fibreux de fibres courtes discontinues densifié par une matrice céramique. Figure pour l’abrégé : Fig. 1Ceramic matrix composite turbomachine manifold with short fiber manifold A turbomachine manifold (100) comprising: an inner platform (102) and an outer platform (101); a plurality of vanes (110) placed between the inner and outer platforms, the vanes being made of a composite material comprising a fibrous reinforcement of continuous fibers densified by a ceramic matrix, and a collector (120) present on a lower surface of the inner platform and integral with the plurality of blades, characterized in that the collector is made of a composite material comprising a fibrous reinforcement of short discontinuous fibers densified by a ceramic matrix. Figure for abstract: Fig. 1
Description
La présente invention se rapporte au domaine général de la conception de matériaux composites à matrice céramique (CMC), et plus particulièrement à la conception d’un distributeur de turbomachine en matériau composite CMC comprenant un collecteur ou un carter en matériau composite CMC à fibres courtes.The present invention relates to the general field of the design of ceramic matrix composite materials (CMC), and more particularly to the design of a turbomachine distributor made of CMC composite material comprising a manifold or a casing made of short-fiber CMC composite material .
Les collecteurs de distributeur, qu’ils soient sectorisés ou à 360° (c’est-à-dire qu’ils forment une pièce monobloc de forme annulaire), sont habituellement métalliques. Afin de les maintenir au distributeur, ils sont généralement boulonnés au distributeur ou à un mat structural, le mat ou le distributeur étant réalisés en matériau métallique.Distributor manifolds, whether sectorized or 360° (i.e. they form a one-piece ring-shaped piece), are usually metallic. In order to hold them to the distributor, they are generally bolted to the distributor or to a structural mat, the mat or the distributor being made of metallic material.
Afin de réduire la masse des distributeurs et améliorer leur résistance aux hautes températures, les distributeurs peuvent être réalisés en un matériau CMC. Néanmoins, l’intégration de pièces métalliques avec des pièces en CMC est contraignante. En effet, il faut tenir compte de l’écart entre les coefficients de dilatation thermique des deux matériaux, des interactions chimiques potentielles ou de l’usure due au contact entre ces deux matériaux. De plus, les pièces métalliques ont des besoins en refroidissement plus importants que les pièces en CMC et leur masse est également plus importante que celle des pièces en CMC.In order to reduce the mass of the distributors and improve their resistance to high temperatures, the distributors can be made of a CMC material. Nevertheless, the integration of metal parts with CMC parts is restrictive. Indeed, it is necessary to take into account the difference between the coefficients of thermal expansion of the two materials, potential chemical interactions or wear due to contact between these two materials. In addition, metal parts have greater cooling requirements than CMC parts and their mass is also greater than that of CMC parts.
Il est donc souhaitable de disposer d’un collecteur de distributeur permettant d’améliorer la compatibilité et simplifier l’interface entre le collecteur et les aubes, tout en réduisant la masse du collecteur et en limitant ses besoins en refroidissement.It is therefore desirable to have a distributor manifold to improve compatibility and simplify the interface between the manifold and the blades, while reducing the mass of the manifold and limiting its cooling needs.
L’invention concerne un distributeur de turbomachine comprenant :The invention relates to a turbomachine distributor comprising:
- une plateforme interne et une plateforme externe ;an internal platform and an external platform;
- une pluralité d’aubes placée entre les plateformes interne et externe, les aubes étant en matériau composite comprenant un renfort fibreux de fibres continues densifié par une matrice céramique, eta plurality of blades placed between the internal and external platforms, the blades being made of composite material comprising a fibrous reinforcement of continuous fibers densified by a ceramic matrix, and
- un collecteur présent sur une surface inférieure de la plateforme interne et solidaire de la pluralité d’aubes,a collector present on a lower surface of the internal platform and integral with the plurality of blades,
caractérisé en ce que le collecteur est en matériau composite comprenant un renfort fibreux de fibres courtes discontinues densifié par une matrice céramique.characterized in that the collector is made of a composite material comprising a fibrous reinforcement of short discontinuous fibers densified by a ceramic matrix.
Le collecteur en matériau composite à base de fibres courtes discontinues permet de faciliter l’intégration du collecteur au distributeur et réduire la masse et le besoin en refroidissement du distributeur. Cela permet également de résoudre les problèmes de compatibilité et d’interface dans le distributeur. En effet, les écarts de coefficients thermiques sont quasi nuls, puisque les aubes et le collecteur sont tous les deux réalisés en matériau composite à matrice céramique.The manifold made of composite material based on short discontinuous fibers facilitates the integration of the manifold into the distributor and reduces the mass and the need for cooling of the distributor. This also solves compatibility and interface issues in the dispenser. Indeed, the differences in thermal coefficients are almost zero, since the blades and the collector are both made of composite material with a ceramic matrix.
Par ailleurs, le fait de réaliser un collecteur avec un renfort à base de fibres courtes permet de réaliser des géométries complexes difficilement accessibles avec un renfort à base de fibres continues.Furthermore, the fact of producing a manifold with a reinforcement based on short fibers makes it possible to produce complex geometries that are difficult to access with a reinforcement based on continuous fibers.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, le collecteur comprend une partie abradable présente sur une surface inférieure du collecteur opposée à la pluralité d’aubes.According to a particular characteristic of the invention, the collector comprises an abradable part present on a lower surface of the collector opposite to the plurality of vanes.
Cette partie abradable permet d’assurer l’étanchéité entre le rotor et le distributeur, en coopérant, par exemple, avec des léchettes placées sur le rotor.This abradable part makes it possible to ensure sealing between the rotor and the distributor, by cooperating, for example, with wipers placed on the rotor.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la partie abradable comprend un renfort fibreux de fibres courtes discontinues.According to another particular characteristic of the invention, the abradable part comprises a fibrous reinforcement of short discontinuous fibers.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le collecteur est monobloc de forme annulaire.According to another particular characteristic of the invention, the manifold is in one piece of annular shape.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le collecteur est sectorisé.According to another particular characteristic of the invention, the collector is sectorized.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le distributeur est un distributeur de turbine basse pression.According to another particular characteristic of the invention, the distributor is a low-pressure turbine distributor.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le distributeur est un distributeur de turbine haute pression.According to another particular characteristic of the invention, the distributor is a high pressure turbine distributor.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, les fibres courtes discontinues et continues sont réalisées dans un même matériau. Cela permet par exemple d’utiliser les chutes textiles de fibres longues issues de la fabrication du renfort fibreux des aubes pour les fibres courtes.According to another particular characteristic of the invention, the short discontinuous and continuous fibers are made of the same material. This makes it possible, for example, to use the textile scraps of long fibers from the manufacture of the fibrous reinforcement of the blades for the short fibers.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la teneur volumique en fibres courtes discontinues dans le collecteur est comprise entre 15 % et 30 %, par exemple de 20 %.According to another particular characteristic of the invention, the volume content of short discontinuous fibers in the collector is between 15% and 30%, for example 20%.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.Other characteristics and advantages of the present invention will emerge from the description given below, with reference to the appended drawings which illustrate examples of embodiments without any limiting character.
La
Le distributeur 100 comprend des plateformes interne 102 et externe 102, une pluralité d’aubes et un collecteur 120. Afin de simplifier la figure, seule une aube 110 de la pluralité d’aubes est représentée sur la
Le distributeur 100 représenté sur la
Les aubes 110 sont placées entre les plateformes interne 102 et externe 101, les plateformes 101 et 102 délimitant ainsi le profil aérodynamique des aubes 110.The blades 110 are placed between the internal 102 and external 101 platforms, the platforms 101 and 102 thus delimiting the aerodynamic profile of the blades 110.
Le collecteur 120 est présent sur une surface inférieure de la plateforme interne 102 et il est solidaire de la pluralité d’aubes 110.The collector 120 is present on a lower surface of the internal platform 102 and it is integral with the plurality of blades 110.
Les aubes 110 sont des aubes creuses communiquant avec le collecteur 120. A l’intérieur des aubes 110, un air de refroidissement circule. Cet air de refroidissement est ainsi acheminé vers le collecteur 120 afin de refroidir les pièces métalliques de la turbine présentes au voisinage du collecteur 120.Vanes 110 are hollow vanes communicating with collector 120. Inside vanes 110, cooling air circulates. This cooling air is thus routed to the collector 120 in order to cool the metal parts of the turbine present in the vicinity of the collector 120.
Conformément à l’invention, les aubes 110 sont en matériau composite comprenant un renfort fibreux à base de fibres longues continues densifié par une matrice céramique. Le collecteur 120 est en matériau composite comprenant un renfort fibreux à base de fibres courtes discontinues densifié par une matrice céramique.In accordance with the invention, the blades 110 are made of a composite material comprising a fibrous reinforcement based on long continuous fibers densified by a ceramic matrix. The collector 120 is made of a composite material comprising a fibrous reinforcement based on short discontinuous fibers densified by a ceramic matrix.
Les plateformes interne 102 et externe 101 sont également réalisées en un matériau composite à matrice céramique. Elles peuvent être monobloc avec l’aube 110 et être formées du même type de fibres que l’aube 110. Elles peuvent également être dissociées de l’aube et être formées à partir de fibres courtes discontinues.The internal 102 and external 101 platforms are also made of a composite material with a ceramic matrix. They can be in one piece with the blade 110 and be formed from the same type of fibers as the blade 110. They can also be separated from the blade and be formed from short discontinuous fibers.
Le collecteur 120 peut comprendre une partie abradable 130 placée sur une surface inférieure du collecteur 120 opposée aux aubes 110. La partie abradable 130 permet d’assurer l’étanchéité amont/aval et peut coopérer avec des léchettes placées en vis-à-vis sur le rotor de la turbine.The collector 120 can comprise an abradable part 130 placed on a lower surface of the collector 120 opposite the vanes 110. The abradable part 130 ensures upstream/downstream sealing and can cooperate with wipers placed opposite on the turbine rotor.
La
Le distributeur 200 comprend une pluralité d’aubes et un collecteur 220. Afin de simplifier cette figure, seule une aube 210 de la pluralité d’aubes est représentée. Les aubes 210 comprennent chacune une plateforme interne 202 et une plateforme externe 201.The distributor 200 comprises a plurality of vanes and a collector 220. In order to simplify this figure, only one vane 210 of the plurality of vanes is represented. The blades 210 each include an internal platform 202 and an external platform 201.
Les plateformes interne et externe délimitent le profil aérodynamique des aubes 210. Le collecteur 220 est présent sur une surface inférieure de la plateforme interne, et est solidaire des aubes 210.The internal and external platforms delimit the aerodynamic profile of the blades 210. The collector 220 is present on a lower surface of the internal platform, and is integral with the blades 210.
Le distributeur 200 représenté sur la
Comme décrit à la
Conformément à l’invention, les aubes 210 sont en matériau composite comprenant un renfort fibreux à base de fibres longues continues densifié par une matrice céramique. Tandis que le collecteur 220 est en matériau composite comprenant un renfort fibreux à base de fibres courtes discontinues densifié par une matrice céramique.In accordance with the invention, the vanes 210 are made of a composite material comprising a fibrous reinforcement based on long continuous fibers densified by a ceramic matrix. While the collector 220 is made of a composite material comprising a fibrous reinforcement based on short discontinuous fibers densified by a ceramic matrix.
Les plateformes 201 et 202 des aubes 210, et donc les plateformes du distributeur 200, sont en matériau composite à matrice céramique. De plus, ils comprennent un renfort fibreux réalisé à partir de fibres continues de la même nature que celles des aubes 210. Les plateformes 201 et 202 peuvent être réalisées avec des fibres de même nature que celles des aubes 210 ou avec des fibres de nature différente. Avec des fibres de nature différente, l’homme du métier veillera à la compatibilité entre les deux matériaux de fibres, c’est-à-dire à ce que les matériaux utilisés pour les fibres aient des coefficients de dilatation voisins, par exemple comme deux céramiques.The platforms 201 and 202 of the blades 210, and therefore the platforms of the distributor 200, are made of composite material with a ceramic matrix. In addition, they include a fiber reinforcement made from continuous fibers of the same nature as those of the blades 210. The platforms 201 and 202 can be made with fibers of the same nature as those of the blades 210 or with fibers of a different nature. . With fibers of different natures, those skilled in the art will ensure compatibility between the two fiber materials, that is to say that the materials used for the fibers have similar coefficients of expansion, for example like two ceramics.
Le collecteur 220 peut comprendre une partie abradable 230 placée sur une surface inférieure du collecteur 220 opposée à la pluralité d’aubes 210. La partie abradable 230 permet d’assurer l’étanchéité amont/aval et peut coopérer avec des léchettes placées en vis-à-vis sur le rotor. La partie abradable peut avoir une épaisseur inférieure à 1 cm.The collector 220 can comprise an abradable part 230 placed on a lower surface of the collector 220 opposite the plurality of vanes 210. The abradable part 230 makes it possible to ensure the upstream/downstream seal and can cooperate with wipers placed opposite each other. opposite on the rotor. The abradable part may have a thickness of less than 1 cm.
Quel que soit le mode de réalisation, la partie abradable présente sur le collecteur peut également être réalisée à partir de fibres courtes discontinues. Les fibres peuvent être de même nature que les fibres du collecteur ou de nature différente et compatible thermomécaniquement.Whatever the embodiment, the abradable part present on the collector can also be made from discontinuous short fibers. The fibers can be of the same nature as the fibers of the collector or of a different nature that is thermomechanically compatible.
Quel que soit le mode de réalisation, les fibres courtes discontinues peuvent être des fibres de carbure de silicium SiC présentant une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1 % en pourcentage atomique. Ces fibres en SiC peuvent par exemple être des fibres fournies sous la dénomination « Hi-Nicalon-S » par la société japonaise NGS. Les fibres courtes discontinues peuvent également être des fibres d’intermétalliques, par exemple des fibres de disiliciure de molybdène ou de titane.Whatever the embodiment, the short discontinuous fibers can be silicon carbide SiC fibers having an oxygen content less than or equal to 1% in atomic percentage. These SiC fibers can for example be fibers supplied under the name “Hi-Nicalon-S” by the Japanese company NGS. The short discontinuous fibers can also be intermetallic fibers, for example fibers of molybdenum or titanium disilicide.
Quel que soit le mode de réalisation, les fibres courtes ont une longueur comprise entre 50 µm et 5000 µm, par exemple entre 50 µm et 1000 µm, par exemple entre 100 µm et 500 µm, par exemple sensiblement de 250 µm. Leur diamètre es par exemple compris entre 8 µm et 12 µm.Whatever the embodiment, the short fibers have a length between 50 μm and 5000 μm, for example between 50 μm and 1000 μm, for example between 100 μm and 500 μm, for example substantially 250 μm. Their diameter is for example between 8 μm and 12 μm.
Quel que soit le mode de réalisation, les fibres du renfort fibreux des aubes peuvent être de diverses natures, par exemple en fibres de céramique, par exemple en SiC, ou de carbone. De plus, le renfort fibreux des aubes peut être de diverses natures et formes telles que notamment : un tissu bidimensionnel, un tissu tridimensionnel obtenu par tissage tridimensionnel ou multicouches, une tresse, un tricot, un feutre, une nappe unidirectionnelle (UD) de fils ou câbles ou nappes multidirectionnelles obtenues par superposition de plusieurs nappes UD dans des directions différentes et par liaison des nappes UD entre elles par couture, par agent de liaison chimique ou par aiguilletage.Whatever the embodiment, the fibers of the fibrous reinforcement of the blades can be of various kinds, for example ceramic fibers, for example SiC, or carbon. In addition, the fibrous reinforcement of the blades can be of various natures and forms such as in particular: a two-dimensional fabric, a three-dimensional fabric obtained by three-dimensional or multi-layer weaving, a braid, a knit, a felt, a unidirectional (UD) layer of yarns or cables or multidirectional plies obtained by superimposing several UD plies in different directions and by bonding the UD plies together by sewing, by chemical bonding agent or by needling.
Quel que soit le mode de réalisation, les aubes et le collecteur sont réalisés à partir de matériaux compatibles thermomécaniquement, c’est-à-dire des matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique voisins. Par exemple, les fibres utilisées peuvent être des céramiques. Il est également possible que les fibres courtes discontinues et les fibres continues soient réalisées à partir du même matériau, par exemple à partir de carbure de silicium SiC. Les matrices céramiques des aubes et du collecteur peuvent également être réalisées à partir des mêmes matériaux ou à partir de matériaux compatibles, par exemple à partir de silicium ou d’un alliage de silicium.Whatever the embodiment, the blades and the commutator are made from thermomechanically compatible materials, that is to say materials having similar coefficients of thermal expansion. For example, the fibers used can be ceramics. It is also possible for the short discontinuous fibers and the continuous fibers to be made from the same material, for example from silicon carbide SiC. The ceramic matrices of the blades and the commutator can also be made from the same materials or from compatible materials, for example from silicon or a silicon alloy.
De plus, les fibres du collecteur et des aubes peuvent également être revêtues d’une couche d’interphase de même nature. Par exemple, la couche d’interphase est une couche de nitrure de bore ou une couche de pyrocarbone PyC.In addition, the fibers of the collector and the blades can also be coated with an interphase layer of the same nature. For example, the interphase layer is a boron nitride layer or a PyC pyrocarbon layer.
Quel que soit le mode de réalisation, le taux volumique de fibres courtes discontinues dans le collecteur est compris entre 15 % et 30 %, par exemple de 20 %.Whatever the embodiment, the volume ratio of short discontinuous fibers in the collector is between 15% and 30%, for example 20%.
Quel que soit le mode de réalisation, les aubes peuvent être tissées et réalisées en carbure de silicium avec un taux volumique de fibres continues compris entre 15 % et 55%.Whatever the embodiment, the blades can be woven and made of silicon carbide with a volume ratio of continuous fibers of between 15% and 55%.
Quel que soit le mode de réalisation, la pluralité d’aubes et le collecteur peuvent être assemblés et fixés ensemble lors d’une co-siliciuration, c’est-à-dire lors de la co-densification des préformes des aubes et du collecteur, la préforme des aubes comprenant un renfort fibreux de fibres continues et la préforme du collecteur comprenant un renfort fibreux de fibres courtes discontinues.Whatever the embodiment, the plurality of blades and the collector can be assembled and fixed together during a co-siliciding, that is to say during the co-densification of the preforms of the blades and the collector , the preform of the blades comprising a fibrous reinforcement of continuous fibers and the preform of the collector comprising a fibrous reinforcement of short discontinuous fibers.
Quel que soit le mode de réalisation, les aubes et le collecteur peuvent être assemblés et fixés ensemble lors de la densification de la préforme du collecteur directement sur la pluralité d’aubes, la préforme du collecteur comprenant un renfort fibreux de fibres courtes discontinues. Par exemple, lors d’une densification de la préforme du collecteur par infiltration par une composition fondue comprenant du silicium, la composition permettra de souder le collecteur sur la aube.Whatever the embodiment, the vanes and the collector can be assembled and fixed together during the densification of the preform of the collector directly on the plurality of vanes, the preform of the collector comprising a fibrous reinforcement of short discontinuous fibers. For example, during densification of the collector preform by infiltration with a molten composition comprising silicon, the composition will make it possible to weld the collector to the blade.
Quel que soit le mode de réalisation, il est également possible d’assembler et fixer le collecteur et l’aube par brasage après la densification de leur préforme.Whatever the embodiment, it is also possible to assemble and fix the commutator and the blade by brazing after the densification of their preform.
L’expression « compris(e) entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes.The expression “between … and …” must be understood as including the limits.
Claims (7)
- une plateforme interne (102, 202) et une plateforme externe (101, 201) ;
- une pluralité d’aubes (110, 210) placée entre les plateformes interne et externe, les aubes étant en matériau composite comprenant un renfort fibreux de fibres continues densifié par une matrice céramique, et
- un collecteur (120, 220) présent sur une surface inférieure de la plateforme interne et solidaire de la pluralité d’aubes,
caractérisé en ce que le collecteur est en matériau composite comprenant un renfort fibreux de fibres courtes discontinues densifié par une matrice céramique.Turbomachine distributor (100, 200) comprising:
- an internal platform (102, 202) and an external platform (101, 201);
- a plurality of blades (110, 210) placed between the internal and external platforms, the blades being made of composite material comprising a fibrous reinforcement of continuous fibers densified by a ceramic matrix, and
- a collector (120, 220) present on a lower surface of the internal platform and secured to the plurality of blades,
characterized in that the collector is made of a composite material comprising a fibrous reinforcement of short discontinuous fibers densified by a ceramic matrix.
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| FR2013607A FR3118092B1 (en) | 2020-12-18 | 2020-12-18 | TURBOMACHINE DISTRIBUTOR IN CERAMIC MATRIX COMPOSITE MATERIAL WITH SHORT FIBER MANIFOLD |
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| FR2013607 | 2020-12-18 | ||
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- 2021-12-10 WO PCT/FR2021/052282 patent/WO2022129749A1/en unknown
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