BE1027837B1 - Procédé de fabrication d'une aube de compresseur - 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.

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.
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.
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.
Ces opérations représentent un coût et un besoin en main d'œuvre, et sont sources de rebuts.
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.
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.
La détermination de la déformée et des contraintes résiduelles est effectuée par simulation numérique.
Compte tenu du nombre de variables prises en compte, il est impossible d'effectuer ces prédictions sans l'assistance de moyens informatiques appropriés.
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.
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.
Selon un mode avantageux de l'invention, le dimensionnement de la matrice est réalisé par itérations.
Selon un mode avantageux de l'invention, la déformée comprend la torsion de l'aube autour d'au moins un axe de l’aube.
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.
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.
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.
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.
Selon un mode avantageux de l'invention, l'aube est en alliage forgeable, notamment alliage de titane ou de nickel.
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.
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.
Brève description des dessins
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.
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.
La pale 4 présente un côté intrados 5 et un côté extrados 6 qui guident le flux d'air.
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.
L'invention vise à anticiper cette torsion pour fabriquer une aube qui, malgré sa déformation, conviendra aux dimensions souhaitées.
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).
Ainsi, le pied 2 se déforme de manière négligeable par rapport à la déformation de la pale 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.
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.
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.
Par exemple une forme de matrice très proche des dimensions nominales peut être choisie.
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.
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.
La simulation numérique permet d'obtenir ces résultats, en prenant en compte notamment les propriétés rhéologiques du matériau composant l'aube.
Les dimensions et propriétés mécaniques calculées 400 sont comparées, dans une étape 500 aux dimensions et propriétés mécaniques nominales.
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.
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.
Une fois ce seuil atteint, les paramètres de fabrication sont maintenus (étape 700).
Alternativement, les itérations peuvent être d'un nombre donné prédéfini sans critère de convergence.
La géométrie de la matrice ainsi déterminée peut être confirmée par des essais expérimentaux.
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.
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, …).

Claims (11)

Revendications
1. 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.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le paramétrage comprend le dimensionnement d'un outillage de fabrication, notamment le dimensionnement de la matrice employée pour l'opération de forge.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que 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.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dimensionnement de la matrice est réalisé par itérations.
5. Procédé selon lune des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la déformée comprend la torsion de l'aube autour d’au moins un axe de l'aube.
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que 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.
7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que 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.
8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'opération de forge est une opération de forge de précision.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que 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.
10. Procédé selon lune des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'aube est en alliage forgeable, notamment alliage de titane ou de nickel.
11. Compresseur de turboréacteur d'aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une aube rotorique ou statorique réalisée au moins en partie par le procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 10.
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