CH425345A - Aube de turbine à gaz - Google Patents

Description

  Aube de     turbine    à gaz    La présente invention a pour objet une aube de  turbine à gaz présentant une résistance améliorée à  la fois au choc thermique et à la déformation     dans     des conditions de fonctionnement à haute tempé  rature.  



  Au cours du fonctionnement des turbines à gaz,  les aubes de tuyère de l'appareil sont continuellement       exposées    à des conditions très rigoureuses et com  plexes, par exemple à de hautes     températures,    des       variations    thermiques violentes, l'érosion et des forces  tendant à déformer les aubes de tuyère, particuliè  rement les parties postérieures de ces     dernières.     



  Les conditions d'environnement susmentionnées se  produisent essentiellement sous     l'effet    de la vitesse  élevée et de la haute     température    des effluves de la  turbine qui sont continuellement projetées sur le bord  antérieur des aubes de tuyère et au cours de leur  passage     exercent    des forces violentes sur     les    bords  postérieurs plus fins des aubes.  



  La     projection    continuelle des effluves     contre    les  bords antérieurs des aubes tend à éroder     ces    bords,  et, de plus, produit de fortes variations de tempé  rature dans les aubes en développant localement des  températures extrêmement élevées sur les bords anté  rieurs et dans des sections contiguës des parties pos  térieures des aubes.  



  En plus du choc thermique violent auquel les  aubes     sont    soumises en raison des conditions décrites  ci-dessus, la chaleur qui est     transmises    des régions  exposées à de très hautes températures des     parties     antérieures des aubes aux parties postérieures rend  ces parties plus fines moins résistantes aux forces  violentes     exercées    par les effluves de la turbine.  



  Par conséquent, en raison des variations de tem  pérature élevées et des autres conditions thermiques    auxquelles sont exposées les aubes de tuyères     pr6sen-          tement    utilisées dans les turbines à gaz, la     durée     d'utilisation permise et les températures auxquelles  peuvent être exposés ces dispositifs sont très limitées.  



  L'aube de turbine à gaz     selon    l'invention est  caractérisée en     ce    qu'elle comprend un corps d'aube  métallique et un élément non métallique formant une  partie au moins du bord d'attaque de     l'aube,    ancré  sur le corps par un point d'emboîtement.  



  Le dessin annexé représente, à titre d'exemple,  une forme d'exécution de l'objet de l'invention et des  variantes.  



  La figure 1 est une vue en coupe transversale de       cette    forme d'exécution.  



  La figure 2 est une vue de dessus de l'aube de  tuyère représentée à la     fig.    1.  



  La figure 3 est une vue en coupe     transversale     similaire à la     fig.    1 d'une variante.  



  La figure 4 est une vue de dessus similaire à la       fig.    2 d'une autre variante.  



  Aux     fig.    1 et 2, une aube de tuyère de turbine à  gaz 1 présente un élément principal     métallique    3 et  un élément de bord antérieur 5 recouvrant une partie  du bord antérieur de l'aube où il est exposé aux  températures les plus élevées au cours du fonction  nement de la turbine. L'élément principal présente  une partie centrale creuse qui peut     servir    pour réfri  gérer l'aube. Toutefois, une construction creuse n'est  puas essentielle et des aubes     compactes    peuvent égale  ment être     utilisées.     



  L'élément principal consiste en un métal ou       alliage    résistant à une haute température tel que les       superalliages    bien connus à base de nickel ou de  cobalt, tandis que l'élément du bord est constitué  par un matériau tel que la céramique ou de la céra-           mique        métallique    résistant à la chaleur. Des composés  métaux     résistant    à la chaleur et des mélanges     liés     de     composés        métalliques    résistant à la chaleur peu  vent également être     utilisés    pour l'élément du bord.

    Les éléments     principaux    et les éléments du bord sont  formés séparément et peuvent être produits par mou  lage discontinu,     extrusion,    forgeage ou     moulage     continu. Quand les éléments     principaux    et les élé  ments du bord sont fabriqués séparément, on .les     relie     de manière fixe. Ceci peut être réalisé, par exemple,  par le joint d'ancrage représenté au dessin.  



  L'aube de turbine à gaz     composite,    telle que  décrite     ci-dessus,    est exposée, lors de son     utilisation,     au courant d'effluve de la turbine indiqué à la     fig.    1  par     ries    flèches d'où     i!1    résulte que son     bord    antérieur  est exposé à des températures extrêmement élevées.

    Toutefois, en raison de ce que l'on ,pourrait appeler la  <B> </B>barrière thermique   qui se forme à la     jointure    entre  l'élément du bord et l'élément     principal    de l'aube,  produits séparément, la conduction de la chaleur du  bord antérieur non     métallique    à l'élément principal  et la partie postérieure relativement fine de l'aube  est notablement réduite. D'autre part,     quelle    que soit  la chaleur développée dans l'élément principal de  l'aube,     celle-ci    tend à être distribuée de façon plus  uniforme, de sorte que la variation de température  dans l'élément principal est nettement moins élevée  que ce que l'on aurait pensé.  



  Par conséquent, en raison de sa construction  composite, l'aube de tuyère présente en     pratique    une       résistance    nettement     améliorée    à la déformation et au  choc thermique et peut ainsi être utilisée pendant de  plus grandes périodes de temps à des     températures          opérationnelles    nettement plus élevées que le maxi  mum acceptable avec une aube de turbine à gaz de  construction homogène ayant la même composition  que soit l'élément de bord,     soit    l'élément     principal     de l'aube composite.  



  Dans une variante représentée à la     fig.    3, un  élément de bord séparé 7 est conçu pour la partie  postérieure de l'aube de tuyère. De cette façon, les  variations de température dans l'élément     principal     sont encore plus réduites et la conduction de la cha  leur de la partie antérieure de l'aube à son bord       postérieur    est encore plus     réduite.    Il en résulte que  l'on peut alors opérer à de plus hautes températures  et pendant une plus grande période de temps.  



  Dans une aube de tuyère spécifique d'une forme       similaire    à celle représentée à la     fig.    1, l'élément de  bord était formé à partir d'une céramique     métallique          (23'%        d'alumine,        77        0%        de        chrome)        et        l'aube        était     formée à partir d'un     alliage    à base de nickel (12,5'0/0       de        chrome,        4,

  5'%        de        molybdène,        6'%        d'alumine,     2     %        de        colombium        et        de        tantale        et        le        reste        de        nickel     avec des     traces    de carbone, bore,     zirconium    et     tita-          nium)

  .    On a trouvé qu'au cours d'essais dans des  conditions de choc     thermique    violent, à des tempé  natures jusqu'à environ 1149 C le bord antérieur en  céramique de l'aube ainsi que son élément principal  ne sont pratiquement pas     affectés.       Toute méthode convenable pour     effectuer    la join  ture des composants de l'aube peut être     utilisée,

      pour  autant qu'une barrière thermique est     maintenue    entre  ses parties composantes et que la     résistance    méca  nique du     joint    est suffisante pour supporter les     forces          auxquelles        elle    est exposée en cours de fonctionne  ment.

   Une méthode particulièrement     effective    pour  réaliser     cela    consiste à préparer d'abord l'élément de  bord à     partir    du matériau résistant à la chaleur désiré,  dans une forme telle que représenté au     dessin    et  d'incorporer l'élément de bord dans une forme de  cire conçue pour l'élément principal. On suit alors la  technique bien connue de la<B> </B>cire perdue   ou toute  autre technique pour former un moule dans lequel  l'élément     métallique        principal    est coulé.

   On obtient  ainsi une lame de     turbine        composite    dont l'élément  de     surface    du bord est ancré solidement à l'aube.  



  En plus des matériaux mentionnés précédemment,  une grande variété de substances peut être     effective-          ment    employée pour former les composants de l'aube  de turbine. Au tableau 1 (page 3) se trouve men  tionné un choix de matériaux qui peut être employé  avec succès;     toutefois,    ce tableau ne doit pas être       considéré    comme étant limitatif.  



  On a trouvé que les éléments de bord antérieur  ou postérieur de l'aube de turbine peuvent s'étendre  sur toute la surface du bord ou seulement sur une ou  plusieurs parties critiques de la     surface    du bord. Plu  sieurs modifications ont été     effectuées    avec     succès    et  trouvées satisfaisantes dans la pratique. A la     fig.    4,  l'élément de bord antérieur de 12,7 cm s'étend sur  tout le bord antérieur et dans le bandage 9 de l'aube.

    A la     fig.    2, l'élément de bord ne s'étend que sur la       partie    centrale du bord antérieur dont il couvre     envi-          ron        75'%        de        la        surface.        En        ce        qui        concerne        la        partie     postérieure,

       il    est recommandable que     l'élément    de  bord postérieur     .constitue        l'ensemble    du bord posté  rieur de l'aube     ainsi    qu'une partie de son bandage,  étant donné que sa :section transversale est plus faible  et que cette partie de l'aube est généralement exposée  à des tensions complexes auxquelles elle doit être en  mesure de résister.

Claims (1)

1. REVENDICATION Aube de turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps d'aube métallique et un élément non métallique formant une partie au moins du bord d'attaque de l'aube, ancré sur le corps par un joint d'emboîtement. SOUS-REVENDICATIONS 1. Aube selon la revendication, caractérisée en ce que<B>le</B> bord est constitué par du diborure de titanium. 2.

   Aube selon la revendication, caractérisée en ce que le bord est constitué par du nitrure de silicium. 3. Aube selon la revendication, caractérisée en ce que le bord est constitué par une céramique compre- nant 23 % d'alumine et 77'% de chrome. 4.

   Aube selon la revendication, caractérisée en ce que le bord est constitué par une céramique compo- EMI0003.0001 <I>Tableau <SEP> 1</I> <tb> Type <SEP> de <SEP> matériau <SEP> Composant <SEP> Exemple <SEP> spécifique <SEP> Composition <SEP> nominale <tb> poids <SEP> pour <SEP> cent <tb> Alliage <SEP> élément <SEP> alliage <SEP> à <SEP> base <SEP> de <SEP> nickel <SEP> 12,5'% <SEP> Cr, <SEP> 4,5'1/o <SEP> Mo, <SEP> 6'% <SEP> Al, <SEP> 3 <SEP> .% <SEP> au <SEP> total <tb> principal <SEP> de <SEP> Cb, <SEP> Ta, <SEP> B, <SEP> C, <SEP> Ti, <SEP> Zr <tb> Alliage <SEP> élément <SEP> alliage <SEP> à <SEP> base <SEP> de <SEP> cobalt <SEP> 21,51/o <SEP> Cr, <SEP> 10'% <SEP> W, <SEP> 7,51/o <SEP> Ta, <SEP> 4 <SEP> % <SEP> au <SEP> total <tb> principal <SEP> de <SEP> Si, <SEP> C, <SEP> Fe,

   <SEP> Ni <tb> Céramique <SEP> bord <SEP> alumine <SEP> A120; <tb> Céramique <SEP> bord <SEP> béryl <SEP> environ <SEP> 99 <SEP> % <SEP> Be0 <tb> Céramique <SEP> bord <SEP> céramique <SEP> métallique <SEP> 23'% <SEP> alumine, <SEP> 77 <SEP> % <SEP> chrome <tb> métallique <tb> Céramique <SEP> bord <SEP> céramique <SEP> métallique <SEP> 251/o <SEP> Cr, <SEP> 601/o <SEP> W, <SEP> 15% <SEP> alumine <tb> métallique <tb> Céramique <SEP> bord <SEP> céramique <SEP> métallique <SEP> 57'% <SEP> Cr, <SEP> 20 <SEP> % <SEP> Mo, <SEP> 191/o <SEP> alumine,

   <SEP> 2 <SEP> 0% <SEP> Ti <tb> métallique <tb> Composé <SEP> bord <SEP> diborure <SEP> de <SEP> titanium <SEP> 90 <SEP> à <SEP> 99-1-% <SEP> TiB2 <SEP> plus <SEP> ingrédients <SEP> modifica métallique <SEP> teurs <SEP> et <SEP> impuretés <tb> Composé <SEP> bord <SEP> nitrure <SEP> de <SEP> silicium <SEP> principalement <SEP> Si2N4 <tb> métallique <tb> Mélange <SEP> lié <SEP> bord <SEP> carbure <SEP> carbure <SEP> de <SEP> titanium <SEP> lié <SEP> avec <SEP> environ <SEP> 401/0 <tb> de <SEP> titanium <SEP> cimenté <SEP> de <SEP> Ni <SEP> ou <SEP> Co sée de 15'% d'alumine,

   251/o de chrome et 60 % de tungstène. 5.

   Aube selon la revendication, caractérisée en ce que le bord est constitué par une céramique compo- sée de 19'% d'alumine, 591/o de chrome, 201/o de molybdène et 2 % de titanium. 6.

   Aube selon 1a revendication, caractérisée en ce que le bord est formé de carbure de titanium cimenté lié avec 40'% de nickel ou de cobalt. 7. Aube selon la revendication, caractérisée en ce que le corps d'aube est constitué par un alliage à base de nickel. 8.

   Aube selon la revendication, caractérisée en ce que le ,corps d'aube est constitué par un alliage à base de cobalt.