Titre de l'invention : Distributeur de turbomachine en matériau composite à matrice céramique avec collecteur en fibres courtes

Domaine Technique

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.

Technique antérieure

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.

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.

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. Exposé de l'invention

L'invention concerne un distributeur de turbomachine comprenant :

- une plateforme interne et une plateforme externe ;

- 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, et

- un collecteur 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.

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 nuis, puisque les aubes et le collecteur sont tous les deux réalisés en matériau composite à matrice céramique.

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.

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.

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.

Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, la partie abradable comprend un renfort fibreux de fibres courtes discontinues.

Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le collecteur est monobloc de forme annulaire.

Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le collecteur est sectorisé. Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le distributeur est un distributeur de turbine basse pression.

Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le distributeur est un distributeur de turbine haute pression.

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.

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 %.

Brève description des dessins

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.

[Fig. 1] La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, un distributeur de turbine basse pression selon un mode de réalisation de l'invention.

[Fig. 2] La figure 2 représente, de manière schématique et partielle, un distributeur de turbine haute pression selon un mode de réalisation de l'invention.

Description des modes de réalisation

La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, un distributeur 100 en matériau composite à matrice céramique (CMC) selon un mode de réalisation de l'invention.

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 figure 1. Le distributeur 100 représenté sur la figure 1 est un distributeur de turbine basse pression avec un collecteur 120 monobloc et de forme annulaire.

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.

Le collecteur 120 est présent sur une surface inférieure de la plateforme interne 102 et il est solidaire de la pluralité d'aubes 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.

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.

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.

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.

La figure 2 représente, de manière schématique et partielle, un distributeur 200 en matériau composite à matrice céramique (CMC) selon un mode de réalisation de l'invention.

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. 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.

Le distributeur 200 représenté sur la figure 2 est un distributeur de turbine haute pression avec un collecteur 220 sectorisé. Le collecteur 220 comprend ainsi plusieurs portions et l'ensemble des portions du collecteur 120 forme un anneau maintenu par les aubes.

Comme décrit à la figure 1, les aubes 210 sont creuses et communiquent avec le collecteur 220, ce qui permet d'acheminer un air de refroidissement jusqu'aux pièces internes de la turbine situées au voisinage du collecteur 220.

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.

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.

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. 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.

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.

Quel que soit le mode de réalisation, les fibres courtes ont une longueur comprise entre 50 pm et 5000 pm, par exemple entre 50 pm et 1000 pm, par exemple entre 100 pm et 500 pm, par exemple sensiblement de 250 pm. Leur diamètre es par exemple compris entre 8 pm et 12 pm.

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.

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.

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.

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 %.

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%.

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 codensification 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.

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.

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.

L'expression « compris(e) entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.