BE1027837B1 - PROCESS FOR MANUFACTURING A COMPRESSOR VANE - Google Patents
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Abstract
L'invention a trait à un procédé de fabrication d'une aube de compresseur de turbomachine, comprenant les étapes suivantes: détermination de la déformée et/ou des contraintes résiduelles de la pièce pendant et après chaque opération du processus de fabrication, les opérations comprenant une opération de forge et éventuellement l'une des opérations suivantes : découpe de bavure, refroidissement et/ou traitement thermique ; intégration de la déformée et/ou des contraintes résiduelles ainsi déterminée(s) pour le paramétrage de l’opération de forge, notamment en fonction d’une comparaison entre la déformée et/ou les contraintes déterminées et une déformée et/ou contraintes résiduelles nominales ; et réalisation de l'opération de forge ainsi paramétrée. L'invention porte également sur un compresseur comprenant une aube réalisée au moins en partie par la procédé de fabrication de l'invention.The invention relates to a method of manufacturing a turbine engine compressor blade, comprising the following steps: determining the deformation and / or residual stresses of the part during and after each operation of the manufacturing process, the operations comprising a forging operation and possibly one of the following operations: burr cutting, cooling and / or heat treatment; integration of the deformation and / or the residual stresses thus determined for the parameterization of the forging operation, in particular according to a comparison between the deformation and / or the determined stresses and a deformation and / or nominal residual stresses ; and carrying out the forging operation thus configured. The invention also relates to a compressor comprising a blade made at least in part by the manufacturing method of the invention.
Description
PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UNE AUBE DE COMPRESSEUR Description Domaine technique L'invention a trait à un procédé de fabrication d'une aube de compresseur. En particulier, l'invention vise à paramétrer une opération de forge. Plus particulièrement, l'invention porte sur le dimensionnement d’une matrice destinée à la fabrication de l'aube.METHOD OF MANUFACTURING A COMPRESSOR VANE Description Technical Field The invention relates to a method of manufacturing a compressor vane. In particular, the invention aims to configure a forging operation. More particularly, the invention relates to the dimensioning of a die intended for the manufacture of the blade.
Technique antérieure Les aubes de compresseur issues de forge peuvent présenter des contraintes résiduelles et peuvent se déformer lors de leur refroidissement. Ainsi, malgré des opérations de fabrications qui visent initialement à obtenir l'aube dans ses dimensions nominales, il demeure une certaine variabilité dans les dimensions finales des aubes.BACKGROUND ART Forging compressor blades may exhibit residual stresses and may deform upon cooling. Thus, despite manufacturing operations which initially aim to obtain the blade in its nominal dimensions, there remains a certain variability in the final dimensions of the blades.
Afin d'obtenir des aubes de compresseur aux dimensions nominales, il est parfois nécessaire de redresser l'aube après son opération de forge. Ce redressement peut être fait de façon plus ou moins maitrisée et nécessite d'être complétée par un contrôle non destructif, voire un recuit, pour s'assurer que le redressement n'a pas affecté les propriétés mécaniques de l’aube.In order to obtain compressor vanes with nominal dimensions, it is sometimes necessary to straighten the vane after its forging operation. This straightening can be done in a more or less controlled manner and needs to be supplemented by non-destructive testing, or even annealing, to ensure that the straightening has not affected the mechanical properties of the blade.
Ces opérations représentent un coût et un besoin en main d'œuvre, et sont sources de rebuts.These operations represent a cost and a need for labor, and are sources of waste.
Résumé de l’invention Problème technique L'invention a pour objectif de pallier au moins l’un des inconvénients de la méthode décrite ci-dessus. Plus particulièrement, la présente invention vise à permettre une obtention de pièces de dimensions souhaitées sans nécessiter d'opération supplémentaire.Summary of the invention Technical problem The object of the invention is to overcome at least one of the drawbacks of the method described above. More particularly, the present invention aims to make it possible to obtain parts of desired dimensions without requiring any additional operation.
Solution technique L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une aube de compresseur de turbomachine, comprenant les étapes suivantes : la détermination de la déformée et/ou des contraintes résiduelles de la pièce pendant et après chaque opération du processus de fabrication, les opérations comprenant une opération de forge et éventuellement l’une des opérations suivantes: découpe de bavure, refroidissement et/ou traitement thermique ; l'intégration de la déformée et/ou des contraintes résiduelles ainsi déterminée(s) pour le paramétrage de l'opération de forge, notamment en fonction d'une comparaison entre la déformée et/ou les contraintes résiduelles déterminées et une déformée et/ou des contraintes résiduelles nominales ; et la réalisation de l'opération de forge ainsi paramétrée.Technical solution The subject of the invention is a method for manufacturing a turbine engine compressor blade, comprising the following steps: determining the deformation and / or residual stresses of the part during and after each operation of the manufacturing process, the operations comprising a forging operation and optionally one of the following operations: burr cutting, cooling and / or heat treatment; the integration of the deformation and / or the residual stresses thus determined for the parameterization of the forging operation, in particular according to a comparison between the deformation and / or the determined residual stresses and a deformation and / or nominal residual stresses; and carrying out the forging operation thus configured.
La détermination de la déformée et des contraintes résiduelles est effectuée par simulation numérique.The determination of the deformation and the residual stresses is carried out by numerical simulation.
Compte tenu du nombre de variables prises en compte, il est impossible d'effectuer ces prédictions sans l'assistance de moyens informatiques appropriés.Given the number of variables taken into account, it is impossible to make these predictions without the assistance of appropriate computer resources.
On choisira notamment la simulation par éléments finis avec — ce n'est qu'un exemple — un maillage thermique du type C3D8 et un maillage mécanique du type C3D20. Selon un mode avantageux de l'invention, le paramétrage comprend le dimensionnement d'un outillage de fabrication, notamment le dimensionnement de la matrice employée pour l'opération de forge.One will choose in particular the simulation by finite elements with - this is only one example - a thermal mesh of the type C3D8 and a mechanical mesh of the type C3D20. According to an advantageous embodiment of the invention, the parameterization comprises the sizing of a manufacturing tool, in particular the sizing of the die used for the forging operation.
Selon un mode avantageux de l'invention, la déformée et/ou les contraintes résiduelles de la pièce sont déterminées lorsque la matrice est aux dimensions nominales de la pièce, puis les dimensions de la matrice sont corrigées en fonction de la déformée et/ou des contraintes résiduelles ainsi déterminées.According to an advantageous embodiment of the invention, the deformation and / or the residual stresses of the part are determined when the die is at the nominal dimensions of the part, then the dimensions of the die are corrected as a function of the deformation and / or of the residual stresses thus determined.
Selon un mode avantageux de l'invention, le dimensionnement de la matrice est réalisé par itérations.According to an advantageous embodiment of the invention, the dimensioning of the matrix is carried out by iterations.
Selon un mode avantageux de l'invention, la déformée comprend la torsion de l'aube autour d'au moins un axe de l’aube.According to an advantageous embodiment of the invention, the deformation comprises the twisting of the blade about at least one axis of the blade.
Cette déformation en torsion peut être critique pour une aube dont notamment l'angle de sweep doit correspondre au mieux aux valeurs nominale pour bien diriger l'écoulement du flux d'air.This torsional deformation can be critical for a blade, in particular the sweep angle of which must correspond as well as possible to the nominal values to properly direct the flow of the air flow.
Selon un mode avantageux de l'invention, l'aube comprend une pale et un pied d'épaisseur très supérieure à celle de la pale, la détermination de la déformée et des contraintes résiduelles consistant en la déformée et aux contraintes résiduelles de la pale.According to an advantageous embodiment of the invention, the blade comprises a blade and a root of thickness much greater than that of the blade, the determination of the deformation and of the residual stresses consisting of the deformation and of the residual stresses of the blade.
En effet, il est possible d'effectuer la méthode avec moins de ressources informatiques lorsqu'on considère la partie massive de l'aube (le pied) comme des conditions limites invariables en dimension et en thermique, et ainsi en limitant le calcul uniquement à la pale, d'épaisseur bien plus fine que le pied, et donc déformable. Selon un mode avantageux de l'invention, la détermination de la déformée et/ou des contraintes résiduelles prend un compte les propriétés rhéologiques du matériau constituant l'aube, ces propriétés comprenant notamment : les modules élastiques relaxés et non-relaxés ainsi que les temps de relaxation associés, les coefficients de Poisson, le coefficient de dilatation thermique, le coefficient de dilatation d'humidité, la conductivité thermique. Selon un mode avantageux de l'invention, l'opération de forge est une opération de forge de précision. Par « forge de précision », on entend une opération de forge qui est suffisamment précise pour obtenir les dimensions et l’état de surfaces requis pour la pièce finie, sans nécessité de retouches ultérieures par usinage ou rectification.Indeed, it is possible to carry out the method with less computer resources when considering the massive part of the blade (the foot) as invariable limiting conditions in dimension and in thermal, and thus by limiting the calculation only to the blade, much thinner than the root, and therefore deformable. According to an advantageous embodiment of the invention, the determination of the deformation and / or of the residual stresses takes into account the rheological properties of the material constituting the blade, these properties comprising in particular: the relaxed and non-relaxed elastic moduli as well as the times relaxation, Poisson's ratio, coefficient of thermal expansion, coefficient of humidity expansion, thermal conductivity. According to an advantageous embodiment of the invention, the forging operation is a precision forging operation. By "precision forging" is meant a forging operation that is precise enough to achieve the dimensions and surface condition required for the finished part, without the need for subsequent rework by machining or grinding.
Selon un mode avantageux de l'invention, l'opération de forge de précision est intégrée dans une gamme de forge comprenant, avant ladite opération de forge de précision, une opération d'extrusion d'un brut rond, suivie d'une opération de refoulement.According to an advantageous embodiment of the invention, the precision forging operation is integrated into a forging range comprising, before said precision forging operation, an extrusion operation of a round rough, followed by an operation of repression.
Selon un mode avantageux de l'invention, l'aube est en alliage forgeable, notamment alliage de titane ou de nickel.According to an advantageous embodiment of the invention, the blade is made of a forgeable alloy, in particular a titanium or nickel alloy.
L'invention a également trait à un compresseur de turboréacteur d'aéronef comprenant au moins une aube rotorique ou statorique réalisée au moins en partie par le procédé de fabrication selon l'un des modes de réalisation exposés ci-dessus.The invention also relates to an aircraft turbojet compressor comprising at least one rotor or stator blade produced at least in part by the manufacturing method according to one of the embodiments described above.
Avantages de l'invention Les mesures de l'invention sont intéressantes en ce qu’elles permettent d'éliminer l'étape de redressement des aubes non-conformes. Lors de l'industrialisation d’une nouvelle aube, le procédé de l'invention permet d'obtenir directement des aubes conformes aux dimensions nominales sans nécessiter d'expérimentations sur les matrices de forge, longues et coûteuses. L'industrialisation est donc moins onéreuse et plus rapide.Advantages of the invention The measures of the invention are advantageous in that they make it possible to eliminate the step of straightening out non-conforming blades. During the industrialization of a new blade, the process of the invention makes it possible to obtain blades directly conforming to the nominal dimensions without requiring experimentation on long and expensive forging dies. Industrialization is therefore cheaper and faster.
Brève description des dessinsBrief description of the drawings
La figure 1 illustre une aube de compresseur obtenue par le procédé selon l'invention ; La figure 2 représente le procédé de l'invention. Description d’un mode de réalisation La figure 1 représente une aube 1 de compresseur. L'aube 1 peut être une aube de stator ou une aube de rotor d'une turbomachine axiale. Elle peut être en alliage de titane du type TAGV, en inconel ou tout autre alliage de nickel ou tout autre alliage apte à subir une opération de forge. Les dimensions et épaisseurs ne sont pas représentées à l'échelle et l'aube n’est illustrée que schématiquement.FIG. 1 illustrates a compressor blade obtained by the method according to the invention; FIG. 2 represents the method of the invention. Description of an Embodiment Figure 1 shows a compressor blade 1. The vane 1 can be a stator vane or a rotor vane of an axial turbomachine. It can be made of a titanium alloy of the TAGV type, of inconel or any other nickel alloy or any other alloy suitable for undergoing a forging operation. Dimensions and thicknesses are not shown to scale and the vane is only shown schematically.
Dans cet exemple, l'aube 1 dispose d’un pied 2 prévu pour assembler l'aube 1 à une virole ou un tambour. Dans cet exemple, le pied 2 dispose d'une queue d'aronde à cet effet. Une pale 4 s'étend principalement selon une direction longitudinale A qui peut sensiblement être une direction radiale de la turbomachine. La direction indiquée comme B est sensiblement parallèle à la corde de l'aube.In this example, vane 1 has a foot 2 designed to assemble vane 1 to a ferrule or drum. In this example, foot 2 has a dovetail for this purpose. A blade 4 extends mainly in a longitudinal direction A which can substantially be a radial direction of the turbomachine. The direction indicated as B is substantially parallel to the chord of the vane.
La pale 4 présente un côté intrados 5 et un côté extrados 6 qui guident le flux d'air.The blade 4 has an intrados side 5 and an extrados side 6 which guide the air flow.
Lors du refroidissement après une opération de forge de la pale 4, celle-ci peut se déformer. Un retour élastique en sortie de forge, ou un refroidissement non homogene peuvent générer une torsion T autour de l'axe A et/ou une torsion U autour de l'axe B. Cette torsion implique que l'aube n’est plus conforme à sa géométrie nominale.When cooling after a forging operation of the blade 4, the latter can be deformed. An elastic return at the forge outlet, or non-homogeneous cooling can generate a torsion T around the axis A and / or a torsion U around the axis B. This torsion implies that the blade no longer conforms to its nominal geometry.
L'invention vise à anticiper cette torsion pour fabriquer une aube qui, malgré sa déformation, conviendra aux dimensions souhaitées.The invention aims to anticipate this twist in order to manufacture a blade which, despite its deformation, will suit the desired dimensions.
Le pied 2 est plus massif que la pale 4, l'épaisseur du pied 2 (mesurée radialement, c'est-à-dire verticalement sur la figure 1) peut être de 5 à 30 fois supérieure à l'épaisseur de la pale 4 (mesurée circonférentiellement, c'est-à-dire horizontalement sur la figure 1).Foot 2 is more massive than blade 4, the thickness of foot 2 (measured radially, that is to say vertically in Figure 1) can be 5 to 30 times greater than the thickness of blade 4 (measured circumferentially, that is to say horizontally in Figure 1).
Ainsi, le pied 2 se déforme de manière négligeable par rapport à la déformation de la pale 4.Thus, the root 2 deforms negligibly compared to the deformation of the blade 4.
Que ce soit d'un point de vue mécanique ou d'un point de vue thermique, le pied 2 agit donc comme des conditions limites stables au cours du temps.Whether from a mechanical point of view or from a thermal point of view, the foot 2 therefore acts as stable boundary conditions over time.
En choisissant d'ignorer cette infime déformation du pied et les infimes contraintes résiduelles en découlant, il est donc possible de gagner des ressources informatiques lors de la 5 simulation : la pièce à simuler est plus petite ; le maillage est plus homogène sur la pale 4 seule que sur l'aube entière 1; les variations de dimensions et de contraintes résiduelles sont continues sur la pale 4. La figure 2 décrit un diagramme du procédé selon l'invention.By choosing to ignore this tiny deformation of the foot and the tiny residual stresses resulting therefrom, it is therefore possible to save computer resources during the simulation: the part to be simulated is smaller; the mesh is more homogeneous on the blade 4 alone than on the entire blade 1; the variations in dimensions and in residual stresses are continuous on the blade 4. FIG. 2 describes a diagram of the method according to the invention.
Lors de la conception de l'aube (étape 100) sont définies la géométrie de l'aube, ses dimensions nominales et ses propriétés mécaniques nominales (dont les contraintes résiduelles admissibles). Dans une étape d'industrialisation 200, les paramètres de fabrication sont déterminés en fonction des dimensions et des contraintes résiduelles nominales.During the design of the blade (step 100), the geometry of the blade, its nominal dimensions and its nominal mechanical properties (including the admissible residual stresses) are defined. In an industrialization step 200, the manufacturing parameters are determined as a function of the dimensions and of the nominal residual stresses.
Par exemple une forme de matrice très proche des dimensions nominales peut être choisie.For example a form of matrix very close to the nominal dimensions can be chosen.
Les paramètres de fabrication déterminés ici peuvent également comprendre les paramètres machine lors de l'opération de forge : vitesse, température, matériau de la matrice, etc.The manufacturing parameters determined here may also include the machine parameters during the forging operation: speed, temperature, die material, etc.
Dans l'étape 300, un algorithme de calcul est effectué pour déterminer, à partir des paramètres de fabrication de l'étape 200, les conséquences sur la pièce obtenue.In step 300, a calculation algorithm is performed to determine, from the manufacturing parameters of step 200, the consequences on the part obtained.
La simulation numérique permet d'obtenir ces résultats, en prenant en compte notamment les propriétés rhéologiques du matériau composant l'aube.Numerical simulation makes it possible to obtain these results, in particular by taking into account the rheological properties of the material making up the blade.
Les dimensions et propriétés mécaniques calculées 400 sont comparées, dans une étape 500 aux dimensions et propriétés mécaniques nominales.The calculated dimensions and mechanical properties 400 are compared, in a step 500, with the nominal mechanical dimensions and properties.
S'il y a une déviation supérieure à un certain seuil de tolérance, les paramètres de fabrication sont modifiés dans une étape 600. Par exemple, s'il est calculé que l'aube obtenue a été déformée en torsion d'un angle supérieur à un angle seuil donné, les dimensions correspondantes de la matrice sont ajustées en conséquence.If there is a deviation greater than a certain tolerance threshold, the manufacturing parameters are modified in a step 600. For example, if it is calculated that the obtained vane has been deformed in torsion by an angle greater than a given threshold angle, the corresponding dimensions of the matrix are adjusted accordingly.
Après modification des paramètres de fabrication, l'algorithme est à nouveau effectué, et la boucle est répétée jusqu'à ce que la déviation devienne inférieure au seuil donné.After modification of the manufacturing parameters, the algorithm is performed again, and the loop is repeated until the deviation becomes less than the given threshold.
Une fois ce seuil atteint, les paramètres de fabrication sont maintenus (étape 700).Once this threshold is reached, the manufacturing parameters are maintained (step 700).
Alternativement, les itérations peuvent être d'un nombre donné prédéfini sans critère de convergence.Alternatively, the iterations can be of a given predefined number without convergence criterion.
La géométrie de la matrice ainsi déterminée peut être confirmée par des essais expérimentaux.The geometry of the matrix thus determined can be confirmed by experimental tests.
Cette modélisation permet d'éviter la multiplication des essais réels de prototypage avec différents paramètres de fabrication ou le tâtonnement avec l’utilisation de plusieurs matrices, puisqu’en pratique seul un ou deux prototypes seront réalisés.This modeling avoids the multiplication of actual prototyping tests with different manufacturing parameters or trial and error with the use of several dies, since in practice only one or two prototypes will be made.
L’algorithme réalisé en étape 300 comprend un certain nombre d'étapes de calcul, et peut prendre en compte plusieurs phénomènes physiques, liés aux différentes opérations de fabrication successives (extrusion, refoulement, forge de précision, …).The algorithm carried out in step 300 includes a certain number of calculation steps, and can take into account several physical phenomena, linked to the various successive manufacturing operations (extrusion, upsetting, precision forging, etc.).
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FG | Patent granted |
Effective date: 20210705 |