EP4514599A1 - Aube ou pale d'hélice avec pied composite en forme de croix ou d'étoile - Google Patents

Aube ou pale d'hélice avec pied composite en forme de croix ou d'étoile

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Publication number
EP4514599A1
EP4514599A1 EP23725373.7A EP23725373A EP4514599A1 EP 4514599 A1 EP4514599 A1 EP 4514599A1 EP 23725373 A EP23725373 A EP 23725373A EP 4514599 A1 EP4514599 A1 EP 4514599A1
Authority
EP
European Patent Office
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preform
foot
fibrous
blade
branches
Prior art date
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Pending
Application number
EP23725373.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
Dominique Marie Christian COUPE
Pierre Jean FAIVRE D ARCIER
Marc-Antoine André Louis COLOT
Enrico Giovanni OBERT
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Safran SA
Original Assignee
Safran SA
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material

Definitions

  • the present invention relates to the field of propeller blades or blades for aircraft such as those present on turboprop engines.
  • the blades or propeller blades for turboprop engines are generally made of metallic material. Although the blades or propeller blades made of metallic material have good mechanical resistance, they nevertheless have the disadvantage of having a relatively large mass.
  • propeller blades In order to obtain lighter blades or propeller blades, it is known to make propeller blades from composite material, that is to say by making structural parts with fibrous reinforcement densified by a matrix.
  • the new generation of engines requires more compact blade or blade roots. This need comes from the need to be able to rotate the blade or blade around its vertical axis in order to adapt its incidence to the flight regime (variable pitch blade or blade). This need, combined with the fact that the blade or blade must be integrated as low as possible on the disc, requires the size of the base to be greatly reduced.
  • the feet of the new generation blades or blades have an axisymmetric or substantially axisymmetric shape as well as reduced dimensions unlike the feet of the prior art such as those described in document US 2013/0017093 which extend over the entire width of the lower part of the blade or blade.
  • This axisymmetric or quasi-axisymmetric shape is more difficult to manufacture in composite material, particularly when three-dimensional (3D) weaving is used to form the fibrous reinforcement of the blade or blade.
  • the mechanical loads to which the new generation feet are subjected impose additional constraints. Indeed, in addition to the mechanical loadings in traction and flexion usually encountered (caused respectively by centrifugal forces and impacts with objects), the new generation feet can be integrated into the rotor disk using metal shells. , which results in additional mechanical loading in circumferential compression.
  • the present invention proposes a method of manufacturing a turboprop propeller blade or blade made of composite material comprising a fibrous reinforcement densified by a matrix, the method comprising:
  • the fibrous blank having a flat shape extending in a longitudinal direction and a transverse direction corresponding respectively to the span direction and the direction chord of the blade or the propeller blade to be manufactured, the fibrous blank comprising a root part and an aerodynamic profile part extending in the longitudinal direction from the root part and in the transverse direction between a leading edge portion and a trailing edge portion,
  • the foot part of the fibrous blank comprises several unlinkages extending along a plane parallel to the surface of the fibrous blank, each unlinkage extends in the transverse direction from an edge of the root part of the fibrous blank and over a distance less than half the width of the foot part, each separation separating two portions woven in the fibrous blank and in what the shaping of the fibrous blank comprises the orientation in different directions of the woven portions separated by the unbindings so as to form a foot preform part comprising a plurality of branches.
  • the fibrous reinforcement part of the foot is made of 3D weaving and comprises a plurality of branches which are connected to the fibrous reinforcement part of the aerodynamic profile at its center. Consequently, the size of the foot is determined mainly by the length of the branches, which makes it possible to obtain a much more compact composite foot than that of the prior art which generally extends over the entire width of the lower part of the foot. aerodynamic profile.
  • wires for example warp wires, oriented in the span direction of the blade or blade which gives it good mechanical resistance in traction and bending by combination with 3D weaving.
  • the branched shape makes it possible to obtain a foot having an axisymmetric or quasi-axisymmetric shape compatible with integration into a rotation or change of propeller pitch system.
  • the densification of the fibrous preform comprises the placement of the preform in a tool injection mold having the shape of the blade or propeller blade to be manufactured, removable insertion elements being placed between the branches of the foot preform part, the densification further comprising the injection of a resin in the fibrous preform held in the injection tooling, the transformation of the resin into a matrix by heat treatment and the demolding of the blade or the propeller blade, the demolding comprising the removal of the insertion elements of so as to obtain a foot with a plurality of branches.
  • the densification of the fibrous preform comprises the placement of the preform in an injection tool having the shape of the blade or the propeller blade to be manufactured, elements of filling being placed between the branches of the foot preform part, the densification further comprising the injection of a resin into the fibrous preform held in the injection tooling, the transformation of the resin into a matrix by heat treatment and demolding the blade or the propeller blade so as to obtain a foot comprising a skeleton comprising a plurality of branches with the filling elements glued to said branches.
  • the filling elements make it possible to reinforce the mechanical resistance in circumferential compression.
  • the filling elements are made up of a fibrous material chosen from one of the following fibrous materials: three-dimensional woven, unidirectional layers and fiber mat.
  • the filling elements are made of metallic material.
  • the invention also relates to a turboprop propeller blade or blade made of composite material comprising a fibrous reinforcement densified by a matrix, the blade or propeller blade comprising, in a span direction, a foot and an aerodynamic profile , the fibrous reinforcement comprising a fibrous preform having a three-dimensional weave with a foot preform portion present in the foot and an aerodynamic profile preform portion present in the aerodynamic profile, the foot preform and aerofoil portions being linked 'to each other by three-dimensional weaving, characterized in that the foot comprises a plurality of branches and in that the foot preform part of the fibrous preform comprises a plurality of branches each extending into a branch of the foot.
  • the invention also relates to a turboprop propeller blade or blade made of composite material comprising a fibrous reinforcement densified by a matrix, the blade or propeller blade comprising, in a span direction, a foot and an aerodynamic profile , the fibrous reinforcement comprising a fibrous preform having a three-dimensional weave with a foot preform portion present in the foot and an aerodynamic profile preform portion present in the aerodynamic profile, the foot preform and aerofoil portions being linked one to the other by three-dimensional weaving, characterized in that the foot has a bulb shape, said foot comprising a skeleton comprising a plurality of branches with filling elements present between the branches and in that the preform part foot of the fibrous preform comprises a plurality of branches each extending into a branch of the skeleton of the foot.
  • the filling elements are made up of a fibrous material chosen from one of the following fibrous materials: three-dimensional woven, unidirectional layers and fiber mat.
  • the filling elements are made of metallic material.
  • the invention further covers an aeronautical engine comprising a plurality of blades or propeller blades according to the invention as well as an aircraft comprising at least one such engine.
  • Figure 1 is a schematic view illustrating the 3D weaving of a fibrous blank for the manufacture of a blade
  • FIG. 2 Figure 2 is a cross-sectional view in weft direction on an enlarged scale of a set of layers of wires showing the formation of two debondings in the foot part of the blank of Figure 1 according to a section plane ll- ll,
  • Figure 3 is a perspective view showing the shaping of a part of the foot preform in the fibrous blank of Figure 1,
  • Figure 4 is a schematic exploded perspective view showing injection tooling and the placement of the fibrous preform of Figure 3 inside it in accordance with one embodiment of the invention
  • Figure 5 is a schematic perspective view showing the injection tooling of Figure 4 closed
  • Figure 6 is a schematic perspective view of a composite material blade obtained in accordance with one embodiment of the invention.
  • Figure 7 is a schematic exploded perspective view showing injection tooling and the placement of the fibrous preform of Figure 3 inside it in accordance with another embodiment of the invention
  • Figure 8 is a schematic perspective view showing the injection tooling of Figure 7 closed
  • Figure 9 is a schematic perspective view of a composite material blade obtained in accordance with another embodiment of the invention.
  • the invention applies generally to different types of blades or propeller blades used in aircraft engines.
  • the invention finds an advantageous but not exclusive application in large propeller blades or blades which are intended to be integrated into pivoting or variable pitch systems.
  • Such blades or propeller blades are generally provided with a base having both a small footprint (compact shape) and good resistance to forces in traction, bending and circumferential compression.
  • the blade according to the invention can in particular constitute a blade for ducted moving wheels such as fan blades or a blade for non-ducted moving wheels as in so-called “open rotor” aeronautical engines.
  • the exemplary embodiments are described in relation to blades for a turboprop engine. However, the exemplary embodiments also apply to propeller blades for aircraft.
  • Figure 1 very schematically shows a fibrous blank 100 intended to form the fibrous preform of a blade to be produced.
  • the fibrous structure blank 100 is obtained, as schematically illustrated in Figure 1, by three-dimensional (3D) weaving carried out in a known manner using a jacquard type loom on which a bundle of warp threads has been placed. 101 or strands in a plurality of layers of several hundred threads each, the warp threads being linked by weft threads 102.
  • the fibrous structure blank 100 is woven in a single piece, the blank extending in a longitudinal direction D L , corresponding to the span direction of the blade to be manufactured, between a lower part 100c and an upper part 100d and in a transverse direction DT, corresponding to the chord direction of the blade to be manufactured between a front edge 100a and a rear edge 100b, the blank comprising an aerodynamic profile part 111 defining two faces 111 e and 111f intended to respectively form the extrados and intrados faces of the blade and a root part 112 intended to subsequently form a blade root and extending outside the aerodynamic profile blank 111 in the longitudinal direction DL and set back from the front and rear edges 100a and 100b in the transverse direction D T.
  • the 3D weave is an “interlock” weave weave.
  • interlock weaving, we mean here a weaving weave in which each layer of weft threads links several layers of warp threads with all the threads of the same weft column having the same movement in the plane of the weave .
  • the fibrous blank according to the invention can be woven in particular from carbon or ceramic fiber threads such as silicon carbide.
  • two unbindings 106 and 107 are made inside the foot part 112 of the fibrous blank 100 between two successive layers of warp threads.
  • the unbinding 106 extends along a plane parallel to the surface of the fibrous blank and over an unbinding zone delimited by a contour 106a locally separating the foot part 112 into two woven portions 113 and 114.
  • the unbinding 107 extends along a plane parallel to the surface of the fibrous blank and over a separation zone delimited by a contour 107a locally separating the foot part 112 into two woven portions 115 and 116.
  • the separation 106 extends in the transverse direction from a first side edge 1120 of the foot part 112 and over a distance of less than half the width l 112 of the foot part 112 while the unlinking 107 extends in the transverse direction from a second side edge 1121 of the foot part 112 and over a distance d? less than half the width ln 2 of the foot part 112.
  • a connection zone 117 that is to say a zone in which the blank is 3D woven throughout its thickness, is thus present in the part of foot 112 between the two disconnections 106 and 107.
  • FIG. 2 is an enlarged partial view of a warp sectional plan in the foot part 112 of the blank 100 comprising the unbindings 106 and 107 (section ll-ll in Figure 1).
  • the blank 100 comprises 8 layers of warp threads 101 extending substantially in the longitudinal direction D[_.
  • the 8 layers of warp threads are linked by weft threads Ti to T 8 in the connection zone 117, the weft threads extending substantially in the transverse direction DT.
  • the woven portion 113 comprises 4 layers of warp threads 101 linked together by 4 weft threads T to T 4 while the woven portion 114 comprises 4 layers of warp threads linked together by 4 threads of frame T 5 and T 8 .
  • the woven portion 115 comprises 4 layers of warp threads 101 linked together by 4 weft threads Ti to T 4 while the woven portion 116 comprises 4 layers of warp threads linked together by 4 weft threads T 5 and T 8 .
  • the fact that the weft threads Ti to T 4 do not extend into the layers of warp threads of the woven portions 114 and 116 and that the weft threads T 5 to T 8 do not extend not in the layers of warp threads of the woven portions 113 and 115 ensures the unbindings 106 and 107 which separate the woven portions 113 and 114, on the one hand, and the woven portions 115 and 116, on the other hand.
  • the non-woven threads present around the fibrous blank 100 are cut to extract the blank and then the foot part of the blank is shaped.
  • the shaping of the foot part 112 is carried out by unfolding the woven portions 113 to 116 in different directions as illustrated in Figure 3.
  • the woven portions untied from each other others in the foot part are deployed in different directions in order to form an axisymmetric or quasi-axisymmetric foot skeleton, for example but not limited to the shape of a cross or star.
  • a fibrous preform 200 comprising in the longitudinal direction DL an aerodynamic profile preform part 211 and a foot preform part 212 having in the example described here a cross or star shape with four branches 213 to 216 as shown in Figure 4.
  • the aerodynamic profile preform portion 211 extending in the transverse direction DT between a leading edge portion 211 a and a trailing edge portion 211 b.
  • the number of branches may vary.
  • the foot part of the blank can for example include 4 delinkages in order to obtain a foot preform part with six branches.
  • the branches of the foot preform part extend along a plane parallel to the transverse direction DT.
  • the densification of the fibrous preform intended to form the fibrous reinforcement of the part to be manufactured consists of to fill the porosity of the preform, in all or part of its volume, with the material constituting the matrix. This densification is carried out in a manner known per se following the liquid method (CVL).
  • the liquid process consists of impregnating the preform with a liquid composition containing a precursor of the matrix material.
  • the precursor is usually in the form of a polymer, such as a high-performance epoxy resin, optionally diluted in a solvent.
  • the preform is placed in a sealable mold with a housing shaped like the final molded blade. Then, the mold is closed and the liquid matrix precursor (for example a resin) is injected throughout the housing to impregnate the entire fibrous part of the preform.
  • the transformation of the precursor into a matrix is carried out by heat treatment, generally by heating the mold, after elimination of any solvent and crosslinking of the polymer, the preform always being maintained in the mold having a shape corresponding to that of the piece to be made.
  • the heat treatment consists of pyrolyzing the precursor to transform the matrix into a carbon or ceramic matrix depending on the precursor used and the pyrolysis conditions.
  • liquid ceramic precursors in particular SiC
  • PCS polycarbosilane
  • PTCS polytitanocarbosilane
  • PSZ polysilazane
  • liquid carbon precursors can be resins with a high rate relatively high coke content, such as phenolic resins.
  • the densification of the fibrous preform can be carried out by the well-known transfer molding process known as RTM ("Resin Transfer Molding").
  • the fibrous preform is placed in a mold presenting the external shape of the part to be produced.
  • a thermosetting resin is injected into the internal space of the mold which includes the fibrous preform.
  • a pressure gradient is generally established in this internal space between the place where the resin is injected and the evacuation orifices of the latter in order to control and optimize the impregnation of the preform with the resin.
  • an injection tool 300 which comprises a first shell 310 comprising at its center a first imprint 311 corresponding in part to the shape and dimensions of the blade to be produced and a second shell 320 comprising in its center a second imprint 321 corresponding in part to the shape and dimensions of the blade to be produced.
  • removable insertion elements 330 to 333 are placed between the branches 213 to 216 of the foot preform part 212.
  • the removable insertion elements can be made in particular from resin, from a salt core soluble or metal.
  • the first and second imprints 311 and 321 respectively of the first and second shells 310 and 320 together define an internal volume 301 having the shape of the blade to be produced and in which is placed the fibrous preform 200.
  • Compaction of the fibrous preform 200 can be carried out with the closing of the tooling 300 in order to obtain a determined rate of fibers in the preform.
  • compaction pressure is applied to the shells 310 and 320, for example by means of a press.
  • the compaction of the fibrous preform can also be carried out in separate tooling before introducing the preform into the injection tooling.
  • the tooling 300 further comprises means making it possible to inject a liquid matrix precursor and transform this precursor into a matrix. More precisely, in the example described here, the first shell 310 of the tooling 300 comprises an injection port 313 intended to allow the injection of a liquid matrix precursor composition into the fibrous preform while the second shell comprises an evacuation port 323 intended to cooperate with a pumping system for evacuating the tooling and drawing air during injection.
  • the injection tool 300 also comprises a lower part 340 and an upper part 350 between which the first and second shells 310 and 320 are placed, the lower part 340 and the upper part 350 being equipped with heating means (not shown in Figure 5).
  • the blade is molded by impregnating the preform 200 with a thermosetting resin which is polymerized by heat treatment.
  • a thermosetting resin which is polymerized by heat treatment.
  • RTM Resin Transfer Molding
  • a resin 360 for example a thermosetting resin
  • the port 323 of the second shell 320 is connected to an evacuation conduit maintained under pressure (not shown in Figure 5). This configuration allows the establishment of a pressure gradient between the lower part of the preform 200 where the resin is injected and the upper part of the preform located near the port 323.
  • the resin 360 injected substantially at the level of the lower part of the preform will gradually impregnate the entire preform by circulating in it to the evacuation port 323 through which the surplus is evacuated.
  • the first and second shells 310 and 320 of the tooling 300 can respectively comprise several injection ports and several evacuation ports.
  • the resin used can be, for example, an epoxy resin with a temperature class of 180°C (maximum temperature supported without loss of characteristics).
  • Resins suitable for RTM processes are well known. They preferably have a low viscosity to facilitate their injection into the fibers. The choice of the temperature class and/or the chemical nature of the resin is determined according to the thermomechanical stresses to which the part must be subjected.
  • the blade After injection and polymerization, the blade is demolded. The insertion elements 330 to 333 are then removed so as to obtain a blade root comprising a plurality of branches. Finally, the blade is trimmed to remove excess resin and the chamfers are machined. No other machining is necessary since, the part being molded, it meets the required dimensions.
  • the densification processes described above make it possible to produce, from the fibrous preform of the invention, mainly blades or propeller blades made of composite material with an organic matrix (CMO), with a carbon matrix (C/C) and ceramic matrix (CMC).
  • CMO organic matrix
  • C/C carbon matrix
  • CMC ceramic matrix
  • a blade 10 formed of a fibrous reinforcement densified by a matrix which comprises in its lower part a foot 12 formed by the foot preform part 212 of the fibrous preform 200 and a blade 11 formed by the blade preform portion 211 of the fibrous preform 200.
  • the blade 10 comprises a leading edge 11a and a trailing edge 11 b corresponding respectively to the leading edge 211 a and trailing edge 211 b portions of the fibrous preform 200.
  • the foot 12 here has the shape of a cross or star with four branches 13 to 16 in which the branches 213 to 216 of the foot preform part 212 extend respectively.
  • the blade 10 comprises thus a foot 12 which has a compact shape adapted for integration into a rotation system or change of propeller pitch.
  • certain branches of the blade root may have a greater thickness and/or length than the others in order to adapt to the forces undergone by the blade.
  • filling elements 217 to 220 are placed between the branches 213 to 216 of the foot preform part 212 of the fibrous preform 200.
  • the filling elements 217 to 220 differ from the elements of the removable insertion elements 330 to 333 described previously in that they are intended to be kept in the final blade.
  • the filling elements may be made of a fibrous material chosen from one of the following fibrous materials: three-dimensional woven, unidirectional layers and fiber mat.
  • the filling elements can also be made of metallic material.
  • the fibrous preform 200 provided with filling elements 217 to 220 is placed in an injection tool 400 similar to the tool 300 already described, that is to say which comprises a first shell 410 comprising in its center a first imprint 411 corresponding in part to the shape and dimensions of the blade to be produced and a second shell 420 comprising in its center a second imprint 421 corresponding in part to the shape and dimensions of the blade to be produced.
  • the blade is molded by impregnating the preform 200 with a thermosetting resin which is polymerized by heat treatment.
  • a thermosetting resin which is polymerized by heat treatment.
  • RTM Resin Transfer Molding
  • a resin 460 for example a thermosetting resin
  • the port 423 of the second shell 420 is connected to an evacuation conduit maintained under pressure (not shown in Figure 5). This configuration allows the establishment of a pressure gradient between the lower part of the preform 200 where the resin is injected and the upper part of the preform located near the port 423.
  • the resin 460 injected substantially at the level of the lower part of the preform will gradually impregnate the entire preform by circulating in it to the evacuation port 423 through which the surplus is evacuated.
  • the first and second shells 410 and 420 of the tooling 400 can respectively comprise several injection ports and several evacuation ports.
  • the blade After injection and polymerization, the blade is demolded and then trimmed to remove excess resin and the chamfers are machined. No other machining is necessary since, the part being molded, it meets the required dimensions.
  • a blade 20 formed of a fibrous reinforcement densified by a matrix which comprises in its lower part a foot 22 formed by the foot preform part 212 of the fibrous preform 200 and a blade 21 formed by the blade preform portion 211 of the fibrous preform 200.
  • the blade 20 comprises a leading edge 21a and a trailing edge 21 b corresponding respectively to the leading edge 211 a and trailing edge 211 b portions of the fibrous preform 200.
  • the foot 22 has a bulb shape and here comprises a skeleton with four branches 23 to 26 in which the branches 213 to 216 of the foot preform part 212 extend respectively with the filling elements 217 to 220 present between the branches 23 to 26.
  • the filling elements are also infiltrated by the resin injected into the tooling and secured to the branches 213 to 216 of the part of foot preform 212 by codensification.
  • the filling elements are glued to the branches 23 to 26 during the polymerization of the resin injected into the tooling or after the polymerization.
  • a glue can also be deposited on the contact surface of the filling elements 217 to 220 with the branches 213 to 216 of the foot preform part 212.
  • the blade 20 thus comprises a foot 22 which has a suitable axisymmetric compact shape. for integration into a rotation or propeller pitch change system.
  • the manufacturing process according to the present invention can in particular be used to produce turbomachine blades having a more complex geometry than the blades shown in Figures 6 and 9.

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Abstract

Une aube ou pale d'hélice (10) de turbopropulseur en matériau composite comprend un renfort fibreux densifié par une matrice, l'aube ou la pale d'hélice comportant suivant une direction d'envergure (DL) un pied (12) et un profil aérodynamique (11 ). Le renfort fibreux comprenant une préforme fibreuse présentant un tissage tridimensionnel avec une partie de préforme de pied présente dans le pied (12) et une partie de préforme de profil aérodynamique présente dans le profil aérodynamique, les parties de préforme de pied et de profil aérodynamique étant liées l'une à l'autre par le tissage tridimensionnel. Le pied (12) comporte une pluralité de branches. La partie de préforme de pied de la préforme fibreuse comprend une pluralité de branches s'étendant chacune dans une branche (23, 24, 25, 26) du pied (12).

Description

Description
Titre de l'invention : Aube ou pale d’hélice avec pied composite en forme de croix ou d’étoile
Domaine Technique
La présente invention se rapporte au domaine des aubes ou pales d’hélice pour aéronefs telles que celles présentes sur les turbopropulseurs.
Technique antérieure
Les aubes ou pales d’hélice pour turbopropulseurs sont généralement réalisées en matériau métallique. Si les aubes ou pales d’hélice en matériau métallique ont une bonne résistance mécanique, elles présentent toutefois l'inconvénient d'avoir une masse relativement importante.
Afin d'obtenir des aubes ou pales d’hélice plus légères, il est connu de réaliser des pales d’hélice en matériau composite, c'est-à-dire en réalisant des pièces de structure à renfort fibreux densifié par une matrice.
Le document US 2013/0017093 décrit la réalisation d’une pale d’hélice à partir d’une structure fibreuse à profil aérodynamique à l’intérieur de laquelle est introduite une partie d’un longeron, une extrémité du longeron étant prolongée par une portion renflée destinée à former le pied de la pale d’hélice.
La nouvelle génération de moteurs nécessite des pieds d’aube ou de pale plus compacts. Ce besoin vient de la nécessité de pouvoir faire pivoter l’aube ou la pale autour de son axe vertical afin d’adapter son incidence au régime de vol (aube ou pale à pas variable). Ce besoin, combiné au fait que l’aube ou la pale doit être intégrée le plus bas possible sur le disque, impose de réduire fortement l’encombrement du pied.
A cet effet, les pieds des aubes ou pales de nouvelle génération présentent une forme axisymétrique ou sensiblement axisymétrique ainsi que des dimensions réduites contrairement aux pieds de l’art antérieur comme ceux décrits dans le document US 2013/0017093 qui s’étendent sur toute la largeur de la partie inférieure l’aube ou pale. Cette forme axisymétrique ou quasi-axisymétrique est plus difficile à fabriquer en matériau composite, en particulier lorsque le tissage tridimensionnel (3D) est utilisé pour former le renfort fibreux de l’aube ou de la pale.
Par ailleurs, les chargements mécaniques auxquels sont soumis les pieds de nouvelle génération imposent des contraintes supplémentaires. En effet, en outre des chargements mécaniques en traction et en flexion habituellement rencontrés (causés respectivement par les efforts centrifuges et les impacts avec des objets), les pieds de nouvelle génération peuvent être intégrés dans le disque du rotor à l’aide de coquilles métalliques, ce qui entraîne un chargement mécanique supplémentaire en compression circonférentielle.
Exposé de l’invention
Il est donc souhaitable de pouvoir proposer une solution pour la réalisation d’aubes ou pales d’hélice d’aéronef en matériau composite avec un pied compact et apte à résister aux différents chargements mécaniques.
A cet effet, la présente invention propose un procédé de fabrication d'une aube ou pale d’hélice de turbopropulseur en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, le procédé comprenant :
- la réalisation par tissage tridimensionnel (3D) d'une ébauche fibreuse en une seule pièce, l’ébauche fibreuse présentant une forme plate s’étendant suivant une direction longitudinale et une direction transversale correspondant respectivement à la direction d’envergure et à la direction de corde de l’aube ou la pale d’hélice à fabriquer, l’ébauche fibreuse comprenant une partie de pied et une partie de profil aérodynamique s’étendant suivant la direction longitudinale à partir de la partie de pied et suivant la direction transversale entre une portion de bord d’attaque et une portion de bord de fuite,
- la mise en forme de l'ébauche fibreuse pour obtenir une préforme fibreuse en une seule pièce ayant ladite partie de profil aérodynamique formant une partie de préforme de profil aérodynamique et ladite partie de pied formant une partie de préforme de pied, et
- la densification de la préforme par une matrice pour obtenir une aube ou une pale d’hélice en matériau composite ayant un renfort fibreux constitué par la préforme fibreuse et densifié par la matrice, et formant une seule pièce avec pied intégré, caractérisé en ce que la partie de pied de l’ébauche fibreuse comprend plusieurs déliaisons s’étendant suivant un plan parallèle à la surface de l’ébauche fibreuse, chaque déliaison s’étend dans la direction transversale depuis un bord de la partie de pied de l’ébauche fibreuse et sur une distance inférieure à la moitié de la largeur de la partie de pied, chaque déliaison séparant deux portions tissées dans l’ébauche fibreuse et en ce que la mise en forme de l’ébauche fibreuse comprend l’orientation dans des directions différentes des portions tissées séparées par les déliaisons de manière à former une partie de préforme de pied comportant une pluralité de branches.
Le procédé de l’invention permet ainsi de réaliser une pale d’hélice ou une aube avec un pied composite qui est à la fois compact et parfaitement adapté pour résister aux différents chargements mécaniques décrits précédemment. En effet, la partie de renfort fibreux du pied est réalisée en tissage 3D et comporte une pluralité de branches qui sont reliées à la partie de renfort fibreux du profil aérodynamique en son centre. Par conséquent, l’encombrement du pied est déterminé principalement par la longueur des branches, ce qui permet d’obtenir un pied composite bien plus compact que celui de l’art antérieur qui s’étend généralement sur toute la largeur de la partie inférieure du profil aérodynamique. Dans chaque branche, il y a des fils, par exemple des fils de chaîne, orientés dans la direction d’envergure de la pale ou de l’aube qui confère à celle-ci une bonne résistance mécanique en traction et en flexion par combinaison avec le tissage 3D.
Par ailleurs, la forme en branches permet d’obtenir un pied ayant une forme axisymétrique ou quasi-axisymétrique compatible avec une intégration dans un système de rotation ou changement de pas d’hélice.
En réalisant ainsi un renfort fibreux dans lequel une partie de pied est intégralement formée, c’est-à-dire tissée en une seule pièce, avec une partie de profil aérodynamique, on assure une très bonne tenue mécanique de l’ensemble de la pièce et, en particulier, au niveau de la liaison entre le pied et le profil aérodynamique.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, la densification de la préforme fibreuse comprend le placement de la préforme dans un outillage d’injection présentant la forme de l’aube ou de la pale d’hélice à fabriquer, des éléments d’insertion amovibles étant placés entre les branches de la partie de préforme de pied, la densification comprenant en outre l’injection d’une résine dans la préforme fibreuse maintenue dans l’outillage d’injection, la transformation de la résine en matrice par traitement thermique et le démoulage de l’aube ou de la pale d’hélice, le démoulage comprenant le retrait des éléments d’insertion de manière à obtenir un pied avec une pluralité de branches.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, la densification de la préforme fibreuse comprend le placement de la préforme dans un outillage d’injection présentant la forme de l’aube ou de la pale d’hélice à fabriquer, des éléments de comblement étant placés entre les branches de la partie de préforme de pied, la densification comprenant en outre l’injection d’une résine dans la préforme fibreuse maintenue dans l’outillage d’injection, la transformation de la résine en matrice par traitement thermique et le démoulage de l’aube ou de la pale d’hélice de manière à obtenir un pied comprenant un squelette comportant une pluralité de branches avec les éléments de comblement collés lesdites branches. Les éléments de comblement permettent de renforcer la résistance mécanique en compression circonférentielle.
Selon un aspect du procédé de l’invention, les éléments de comblement sont constitués d’un matériau fibreux choisi parmi un des matériaux fibreux suivants : tissés tridimensionnels, strates unidirectionnelles et mat de fibres.
Selon un aspect du procédé de l’invention, les éléments de comblement sont en matériau métallique.
L’invention a également pour objet une aube ou pale d’hélice de turbopropulseur en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, l’aube ou la pale d’hélice comportant suivant une direction d’envergure un pied et un profil aérodynamique, le renfort fibreux comprenant une préforme fibreuse présentant un tissage tridimensionnel avec une partie de préforme de pied présente dans le pied et une partie de préforme de profil aérodynamique présente dans le profil aérodynamique, les parties de préforme de pied et de profil aérodynamique étant liées l’une à l’autre par le tissage tridimensionnel, caractérisée en ce que le pied comporte une pluralité de branches et en ce que la partie de préforme de pied de la préforme fibreuse comprend une pluralité de branches s’étendant chacune dans une branche du pied.
L’invention a encore pour objet une aube ou pale d’hélice de turbopropulseur en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, l’aube ou la pale d’hélice comportant suivant une direction d’envergure un pied et un profil aérodynamique, le renfort fibreux comprenant une préforme fibreuse présentant un tissage tridimensionnel avec une partie de préforme de pied présente dans le pied et une partie de préforme de profil aérodynamique présente dans le profil aérodynamique, les parties de préforme de pied et de profil aérodynamique étant liées l’une à l’autre par le tissage tridimensionnel, caractérisée en ce que le pied présente une forme de bulbe, ledit pied comprenant un squelette comportant une pluralité de branches avec des éléments de comblement présents entre les branches et en ce que la partie de préforme de pied de la préforme fibreuse comprend une pluralité de branches s’étendant chacune dans une branche du squelette du pied.
Selon un aspect de l’aube ou pale d’hélice de l’invention, les éléments de comblement sont constitués d’un matériau fibreux choisi parmi un des matériaux fibreux suivants : tissés tridimensionnels, strates unidirectionnelles et mat de fibres.
Selon un autre aspect de l’aube ou pale d’hélice de l’invention, les éléments de comblement sont en matériau métallique.
L’invention couvre en outre un moteur aéronautique comprenant une pluralité d’aubes ou de pales d’hélice selon l’invention ainsi qu’un aéronef comprenant au moins un tel moteur.
Brève description des dessins
[Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique illustrant le tissage 3D d'une ébauche fibreuse pour la fabrication d’une aube,
[Fig. 2] La figure 2 est une vue en coupe en sens trame à échelle agrandie d'un ensemble de couches de fils montrant la formation de deux déliaisons dans la partie de pied de l'ébauche de la figure 1 selon un plan de coupe ll-ll, [Fig. 3] La figure 3 est une vue en perspective montrant la mise en forme d’une partie de préforme de pied dans l’ébauche fibreuse de la figure 1 ,
[Fig. 4] La figure 4 est une vue schématique en perspective éclatée montrant un outillage d’injection et le placement de la préforme fibreuse de la figure 3 à l’intérieur de celui-ci conformément à un mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 5] La figure 5 est une vue schématique en perspective montrant l’outillage d’injection de la figure 4 fermé,
[Fig. 6] La figure 6 est une vue schématique en perspective d’une aube en matériau composite obtenue conformément à un mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 7] La figure 7 est une vue schématique en perspective éclatée montrant un outillage d’injection et le placement de la préforme fibreuse de la figure 3 à l’intérieur de celui-ci conformément à autre un mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 8] La figure 8 est une vue schématique en perspective montrant l’outillage d’injection de la figure 7 fermé,
[Fig. 9] La figure 9 est une vue schématique en perspective d’une aube en matériau composite obtenue conformément à un autre mode de réalisation de l’invention.
Description des modes de réalisation
L'invention s'applique d'une manière générale à différents types d'aubes ou pales d’hélice utilisées dans des moteurs d'aéronefs. L'invention trouve une application avantageuse mais non exclusive dans des aubes ou pales d’hélice de grandes dimensions qui sont destinées à être intégrées à des systèmes de pivotement ou pas variable. De telles aubes ou pales d’hélice sont en général munies d’un pied présentant à la fois un faible encombrement (forme compacte) et une bonne une résistance vis-à-vis d’efforts en traction, flexion et compression circonférentielle. L’aube selon l’invention peut notamment constituer une aube pour roues mobiles carénées telles que des aubes de soufflante ou une aube pour roues mobiles non carénées comme dans les moteurs aéronautiques dits « open rotor ». Dans la suite de la description, les exemples de réalisation sont décrits en relation avec des aubes pour turbopropulseur. Toutefois, les exemples de réalisation s’appliquent également à des pales d’hélice pour aéronefs.
La figure 1 montre très schématiquement une ébauche fibreuse 100 destinée à former la préforme fibreuse d’une aube à réaliser.
L'ébauche de structure fibreuse 100 est obtenue, comme illustrée schématiquement sur la figure 1 , par tissage tridimensionnel (3D) réalisé de façon connue au moyen d'un métier à tisser de type jacquard sur lequel on a disposé un faisceau de fils de chaînes 101 ou torons en une pluralité de couches de plusieurs centaines de fils chacune, les fils de chaînes étant liés par des fils de trame 102. L’ébauche de structure fibreuse 100 est tissée en une seule pièce, l’ébauche s’étendant dans une direction longitudinale DL, correspondant à la direction d’envergure de l’aube à fabriquer, entre une partie inférieure 100c et une partie supérieure 100d et dans une direction transversale DT, correspondant à la direction de corde de l’aube à fabriquer entre un bord avant 100a et un bord arrière 100b, l’ébauche comprenant une partie de profil aérodynamique 111 définissant deux faces 111 e et 111f destinées à former respectivement les faces extrados et intrados de l’aube et une partie de pied 112 destinée à former ultérieurement un pied d’aube et s’étendant à l’extérieur de l’ébauche de profil aérodynamique 111 suivant la direction longitudinale DL et en retrait des bords avant et arrière 100a et 100b suivant la direction transversale DT.
Dans l'exemple illustré, le tissage 3D est un tissage à armure "interlock". Par tissage "interlock", on entend ici une armure de tissage dans laquelle chaque couche de fils de trame lie plusieurs couches de fils de chaîne avec tous les fils d'une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l'armure.
D'autres types de tissage tridimensionnel connus pourront être utilisés, comme notamment ceux décrits dans le document WO 2006/136755 dont le contenu est incorporé ici par voie de référence. Ce document décrit notamment la réalisation par tissage en une seule pièce de structures fibreuses de renfort pour des pièces telles que des aubes ayant un premier type d'armure à cœur et un deuxième type d'armure en peau qui permettent de conférer à la fois les propriétés mécaniques et aérodynamiques attendues pour ce type de pièce. L'ébauche fibreuse selon l'invention peut être tissée notamment à partir de fils de fibres de carbone ou de céramique tel que du carbure de silicium.
Au fur et à mesure du tissage de l'ébauche fibreuse dont l'épaisseur et la largeur varient, un certain nombre de fils de chaîne ne sont pas tissés, ce qui permet de définir le contour et l'épaisseur voulue, continûment variable, de l'ébauche 100. Un exemple de tissage 3D évolutif permettant notamment de faire varier l'épaisseur de l'ébauche entre un premier bord destiné à former le bord d'attaque et un deuxième bord d'une épaisseur moindre et destiné à former le bord de fuite est décrit dans le document US 2006/257260.
Conformément à l’invention, lors du tissage, deux déliaisons 106 et 107 sont réalisée à l'intérieur de la partie de pied 112 l'ébauche fibreuse 100 entre deux couches successives de fils de chaîne. La déliaison 106 s’étend suivant un plan parallèle à la surface de l’ébauche fibreuse et sur une zone de déliaison délimitée par un contour 106a séparant localement la partie de pied 112 en deux portions tissées 113 et 114. De même, la déliaison 107 s’étend suivant un plan parallèle à la surface de l’ébauche fibreuse et sur une zone de déliaison délimitée par un contour 107a séparant localement la partie de pied 112 en deux portions tissées 115 et 116. En outre, la déliaison 106 s’étend dans la direction transversale depuis un premier bord latéral 1120 de la partie de pied 112 et sur une distance d e inférieure à la moitié de la largeur l112 de la partie de pied 112 tandis que la déliaison 107 s’étend dans la direction transversale depuis un deuxième bord latéral 1121 de la partie de pied 112 et sur une distance d ? inférieure à la moitié de la largeur ln2 de la partie de pied 112. Une zone de liaison 117, c’est-à-dire une zone dans laquelle l’ébauche est tissée 3D dans toute son épaisseur, est ainsi présente dans la partie de pied 112 entre les deux déliaisons 106 et 107.
Un mode de tissage 3D à armure interlock de l'ébauche 100 est montré schématiquement par la figure 2. La figure 2 est une vue partielle agrandie d’un plan en coupe chaîne dans la partie de pied 112 de l'ébauche 100 comportant les déliaisons 106 et 107 (coupe ll-ll sur la figure 1 ). Dans cet exemple, l'ébauche 100 comprend 8 couches de fils de chaîne 101 s'étendant sensiblement dans la direction longitudinale D[_. Sur la figure 2, les 8 couches de fils de chaîne sont liées par des fils de trame T-i à T8 dans la zone de liaison 117, les fils de trame s’étendant sensiblement dans la direction transversale DT. AU niveau de la déliaison 106, la portion tissée 113 comprend 4 couches de fils de chaîne 101 liées entre elles par 4 fils de trame T à T4 tandis que la portion tissée 114 comprend 4 couches de fils de chaîne liées entre elles par 4 fils de trame T5 et T8. De même, au niveau de la déliaison 107, la portion tissée 115 comprend 4 couches de fils de chaîne 101 liées entre elles par 4 fils de trame Ti à T4 tandis que la portion tissée 116 comprend 4 couches de fils de chaîne liées entre elles par 4 fils de trame T5 et T8.
En d'autres termes, le fait que les fils de trame T-i à T4ne s'étendent pas dans les couches de fils de chaîne des portions tissées 114 et 116 et que les fils de trame T5 à T8 ne s'étendent pas dans les couches de fils de chaîne des portions tissées 113 et 115 assure les déliaison 106 et 107 qui séparent les portions tissées 113 et 114, d’une part, et les portions tissées 115 et 116, d’autre part.
Une fois le tissage terminé, les fils non tissés présents autour de l’ébauche fibreuse 100 sont découpés pour extraire l’ébauche puis on procède à la mise en forme de la partie de pied l’ébauche. Dans l’exemple décrit ici, la mise en forme de la partie de pied 112 est réalisée en dépliant les portions tissées 113 à 116 dans des directions différentes comme illustré sur la figure 3. D’une manière générale, les portions tissées déliées les unes des autres dans la partie de pied sont déployées dans des directions différentes afin de former un squelette de pied axisymétrique ou quasi- axisymétrique, par exemple mais non limitativement en forme de croix ou d’étoile.
On obtient ainsi une préforme fibreuse 200 comprenant suivant la direction longitudinale DL une partie de préforme de profil aérodynamique 211 et une partie de préforme de pied 212 présentant dans l’exemple décrit ici une forme de croix ou d’étoile avec quatre branches 213 à 216 comme représentée sur la figure 4. La partie de préforme de profil aérodynamique 211 s’étendant suivant la direction transversale DT entre une partie de bord d’attaque 211 a et une partie de bord de fuite 211 b. Le nombre de branches peut varier. La partie de pied de l’ébauche peut par exemple comprendre 4 déliaisons afin d’obtenir une partie de préforme de pied avec six branches. D’une manière générale, les branches de la partie de préforme de pied s’étendent suivant un plan parallèle à la direction transversale DT.
On procède ensuite à la densification de la préforme fibreuse. La densification de la préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux de la pièce à fabriquer consiste à combler la porosité de la préforme, dans tout ou partie du volume de celle-ci, par le matériau constitutif de la matrice. Cette densification est réalisée de façon connue en soi suivant le procédé par voie liquide (CVL). Le procédé par voie liquide consiste à imprégner la préforme par une composition liquide contenant un précurseur du matériau de la matrice. Le précurseur se présente habituellement sous forme d'un polymère, tel qu'une résine époxyde à hautes performances, éventuellement dilué dans un solvant. La préforme est placée dans un moule pouvant être fermé de manière étanche avec un logement ayant la forme de l’aube finale moulée. Ensuite, on referme le moule et on injecte le précurseur liquide de matrice (par exemple une résine) dans tout le logement pour imprégner toute la partie fibreuse de la préforme.
La transformation du précurseur en matrice, à savoir sa polymérisation, est réalisée par traitement thermique, généralement par chauffage du moule, après élimination du solvant éventuel et réticulation du polymère, la préforme étant toujours maintenue dans le moule ayant une forme correspondant à celle de la pièce à réaliser.
Dans le cas de la formation d'une matrice carbone ou céramique, le traitement thermique consiste à pyrolyser le précurseur pour transformer la matrice en une matrice carbone ou céramique selon le précurseur utilisé et les conditions de pyrolyse. A titre d'exemple, des précurseurs liquides de céramique, notamment de SiC, peuvent être des résines de type polycarbosilane (PCS) ou polytitanocarbosilane (PTCS) ou polysilazane (PSZ), tandis que des précurseurs liquides de carbone peuvent être des résines à taux de coke relativement élevé, telles que des résines phénoliques. Plusieurs cycles consécutifs, depuis l'imprégnation jusqu'au traitement thermique, peuvent être réalisés pour parvenir au degré de densification souhaité.
Selon un aspect de l'invention, dans le cas notamment de la formation d’une matrice organique, la densification de la préforme fibreuse peut être réalisée par le procédé bien connu de moulage par transfert dit RTM ("Resin Transfert Moulding").
Conformément au procédé RTM, on place la préforme fibreuse dans un moule présentant la forme extérieure de la pièce à réaliser. Une résine thermodurcissable est injectée dans l'espace interne du moule qui comprend la préforme fibreuse. Un gradient de pression est généralement établi dans cet espace interne entre l'endroit où est injecté la résine et les orifices d'évacuation de cette dernière afin de contrôler et d'optimiser l'imprégnation de la préforme par la résine.
Comme illustré sur la figure 4, l’injection d’une composition liquide précurseur de matrice dans la texture fibreuse ainsi que sa transformation en matrice sont ici réalisées dans un outillage d’injection 300 qui comprend une première coquille 310 comprenant en son centre une première empreinte 311 correspondant en partie à la forme et aux dimensions de l’aube à réaliser et une deuxième coquille 320 comprenant en son centre une deuxième empreinte 321 correspondant en partie à la forme et aux dimensions de l’aube à réaliser.
Selon un premier exemple de réalisation, des éléments d’insertion amovibles 330 à 333 sont placés entre les branches 213 à 216 de la partie de préforme de pied 212. Les éléments d’insertion amovibles peuvent être réalisés notamment en résine, en noyau de sels solubles ou en métal.
Une fois l’outillage 300 fermé comme illustré sur la figure 5, les première et deuxième empreintes 311 et 321 respectivement des première et deuxième coquilles 310 et 320 définissent ensemble un volume interne 301 ayant la forme de l’aube à réaliser et dans lequel est placée la préforme fibreuse 200. Un compactage de la préforme fibreuse 200 peut être réalisé avec la fermeture de l’outillage 300 afin d’obtenir un taux de fibres déterminé dans la préforme. Dans ce cas, une pression de compactage est appliquée sur les coquilles 310 et 320 par exemple au moyen d’une presse. Le compactage de la préforme fibreuse peut également être réalisé dans un outillage séparé avant l’introduction de la préforme dans l’outillage d’injection.
L’outillage 300 comprend en outre des moyens permettant de réaliser l’injection d’un précurseur liquide de matrice et la transformation de ce précurseur en matrice. Plus précisément, dans l’exemple décrit ici, la première coquille 310 de l’outillage 300 comprend un port d’injection 313 destiné à permettre l’injection d’une composition liquide précurseur de matrice dans la préforme fibreuse tandis que la deuxième coquille comprend un port d’évacuation 323 destiné à coopérer avec un système de pompage pour la mise sous vide de l’outillage et le tirage d’air lors de l’injection. L’outillage d’injection 300 comprend également une partie inférieure 340 et une partie supérieure 350 entre lesquels les première et deuxième coquilles 310 et 320 sont placées, la partie inférieure 340 et la partie supérieure 350 étant équipées de moyens de chauffage (non représentés sur la figure 5).
Une fois l’outillage 300 fermé, on procède au moulage de l’aube en imprégnant la préforme 200 avec une résine thermodurcissable que l'on polymérise par traitement thermique. On utilise à cet effet le procédé bien connu de moulage par injection ou transfert dit RTM ("Resin Transfert Moulding"). Conformément au procédé RTM, on injecte via le port d’injection 313 de la première coquille 310 une résine 360, par exemple une résine thermodurcissable, dans le volume interne occupé par la préforme 200. Le port 323 de la deuxième coquille 320 est relié à un conduit d'évacuation maintenu sous pression (non représentés sur la figure 5). Cette configuration permet l'établissement d'un gradient de pression entre la partie inférieure de la préforme 200 où la résine est injectée et la partie supérieure de la préforme située à proximité du port 323. De cette manière, la résine 360 injectée sensiblement au niveau de la partie inférieure de la préforme va imprégner progressivement l'ensemble de la préforme en circulant dans celle-ci jusqu'au port d’évacuation 323 par lequel le surplus est évacué. Bien entendu, les première et deuxième coquilles 310 et 320 de l’outillage 300 peuvent comprendre respectivement plusieurs ports d’injection et plusieurs ports d’évacuation.
La résine utilisée peut être, par exemple, une résine époxyde de classe de température 180 °C (température maximale supportée sans perte de caractéristiques). Les résines adaptées pour les procédés RTM sont bien connues. Elles présentent de préférence une faible viscosité pour faciliter leur injection dans les fibres. Le choix de la classe de température et/ou la nature chimique de la résine est déterminé en fonction des sollicitations thermomécaniques auxquelles doit être soumise la pièce. Une fois la résine injectée dans tout le renfort, on procède à sa polymérisation par traitement thermique conformément au procédé RTM.
Après l'injection et la polymérisation, l’aube est démoulée. Les éléments d’insertions 330 à 333 sont alors retirés de manière à obtenir un pied d’aube comportant une pluralité de branches. Au final, l’aube est détourée pour enlever l'excès de résine et les chanfreins sont usinés. Aucun autre usinage n'est nécessaire puisque, la pièce étant moulée, elle respecte les cotes exigées. Les procédés de densification décrits ci-avant permettent de réaliser, à partir de la préforme fibreuse de l’invention, principalement des aubes ou pales d’hélices en matériau composite à matrice organique (CMO), à matrice carbone (C/C) et à matrice céramique (CMC).
Comme illustrée sur la figure 6, on obtient une aube 10 formée d’un renfort fibreux densifié par une matrice qui comporte dans sa partie inférieure un pied 12 formé par la partie de préforme de pied 212 de la préforme fibreuse 200 et une pale 11 formée par la partie de préforme de pale 211 de la préforme fibreuse 200. L’aube 10 comporte un bord d’attaque 11a et un bord de fuite 11 b correspondant respectivement aux parties de bord d’attaque 211 a et de bord de fuite 211 b de la préforme fibreuse 200. Le pied 12 présente ici une forme de croix ou d’étoile avec quatre branches 13 à 16 dans lesquelles s’étendent respectivement les branches 213 à 216 de la partie de préforme de pied 212. L’aube 10 comprend ainsi un pied 12 qui présente une forme compacte adaptée pour une intégration dans un système de rotation ou changement de pas d’hélice.
Selon une caractéristique particulière, certaines branches du pied d’aube peuvent présenter une épaisseur et/ou une longueur plus importante que les autres afin de s’adapter aux efforts subis par l’aube.
Selon un autre exemple de réalisation représenté sur la figure 7, des éléments de comblement 217 à 220 sont placés entre les branches 213 à 216 de la partie de préforme de pied 212 de la préforme fibreuse 200. Les éléments de comblement 217 à 220 diffèrent des éléments des éléments d’insertion amovibles 330 à 333 décrits précédemment en ce qu’ils sont destinés à être conservés dans l’aube finale. Les éléments de comblement peuvent être constitués d’un matériau fibreux choisi parmi un des matériaux fibreux suivants : tissés tridimensionnels, strates unidirectionnelles et mat de fibres. Les éléments de comblement peuvent être également en matériau métallique.
La préforme fibreuse 200 munie des éléments de comblement 217 à 220 est placée dans un outillage d’injection 400 similaire à l’outillage 300 déjà décrit, c’est-à-dire qui comprend une première coquille 410 comprenant en son centre une première empreinte 411 correspondant en partie à la forme et aux dimensions de l’aube à réaliser et une deuxième coquille 420 comprenant en son centre une deuxième empreinte 421 correspondant en partie à la forme et aux dimensions de l’aube à réaliser.
Une fois l’outillage 400 fermé comme illustré sur la figure 8, on procède au moulage de l’aube en imprégnant la préforme 200 avec une résine thermodurcissable que l'on polymérise par traitement thermique. On utilise à cet effet le procédé bien connu de moulage par injection ou transfert dit RTM ("Resin Transfert Moulding"). Conformément au procédé RTM, on injecte via le port d’injection 413 de la première coquille 410 une résine 460, par exemple une résine thermodurcissable, dans le volume interne occupé par la préforme 400. Le port 423 de la deuxième coquille 420 est relié à un conduit d'évacuation maintenu sous pression (non représentés sur la figure 5). Cette configuration permet l'établissement d'un gradient de pression entre la partie inférieure de la préforme 200 où la résine est injectée et la partie supérieure de la préforme située à proximité du port 423. De cette manière, la résine 460 injectée sensiblement au niveau de la partie inférieure de la préforme va imprégner progressivement l'ensemble de la préforme en circulant dans celle-ci jusqu'au port d’évacuation 423 par lequel le surplus est évacué. Bien entendu, les première et deuxième coquilles 410 et 420 de l’outillage 400 peuvent comprendre respectivement plusieurs ports d’injection et plusieurs ports d’évacuation. Une fois la résine injectée dans tout le renfort, on procède à sa polymérisation par traitement thermique conformément au procédé RTM au moyen des parties supérieure 450 et inférieure 440 de l’outillage 300 qui sont équipées de moyens de chauffage (non représentés sur la figure 7).
Après l'injection et la polymérisation, l’aube est démoulée puis est détourée pour enlever l'excès de résine et les chanfreins sont usinés. Aucun autre usinage n'est nécessaire puisque, la pièce étant moulée, elle respecte les cotes exigées.
Comme décrit précédemment, il est possible de réaliser ainsi, à partir de la préforme fibreuse de l’invention, principalement des aubes ou pales d’hélices en matériau composite à matrice organique (CMC), à matrice carbone (C/C) et à matrice céramique (CMC).
Comme illustrée sur la figure 9, on obtient une aube 20 formée d’un renfort fibreux densifié par une matrice qui comporte dans sa partie inférieure un pied 22 formé par la partie de préforme de pied 212 de la préforme fibreuse 200 et une pale 21 formée par la partie de préforme de pale 211 de la préforme fibreuse 200. L’aube 20 comporte un bord d’attaque 21a et un bord de fuite 21 b correspondant respectivement aux parties de bord d’attaque 211 a et de bord de fuite 211 b de la préforme fibreuse 200. Le pied 22 présente une forme de bulbe et comprend ici un squelette à quatre branches 23 à 26 dans lesquelles s’étendent respectivement les branches 213 à 216 de la partie de préforme de pied 212 avec les éléments de comblement 217 à 220 présents entre les branches 23 à 26. Dans le cas où les éléments de comblement sont constitués d’un matériau fibreux, les éléments de comblement sont également infiltrés par la résine injectée dans l’outillage et solidarisés aux branches 213 à 216 de la partie de préforme de pied 212 par codensification. Dans le cas où les éléments de comblement sont constitués d’un matériau métallique, les éléments de comblement sont collés aux branches 23 à 26 lors de la polymérisation de la résine injectée dans l’outillage ou après la polymérisation. Une colle peut être en outre déposée sur la surface de contact des éléments de comblement 217 à 220 avec les branches 213 à 216 de la partie de préforme de pied 212. L’aube 20 comprend ainsi un pied 22 qui présente une forme compacte axisymétrique adaptée pour une intégration dans un système de rotation ou changement de pas d’hélice.
Le procédé de fabrication selon la présente invention peut notamment être utilisé pour réaliser des aubes de turbomachine présentant une géométrie plus complexe que les aubes représentées sur les figures 6 et 9.

Claims

Revendications
[Revendication 1 ] Procédé de fabrication d'une aube ou pale d’hélice de turbopropulseur en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, le procédé comprenant :
- la réalisation par tissage tridimensionnel d'une ébauche fibreuse (100) en une seule pièce, l’ébauche fibreuse présentant une forme plate s’étendant suivant une direction longitudinale (DL) et une direction transversale (DT) correspondant respectivement à la direction d’envergure et à la direction de corde de l’aube ou la pale d’hélice à fabriquer, l’ébauche fibreuse (100) comprenant une partie de pied (1 12) et une partie de profil aérodynamique
(1 1 1 ) s’étendant suivant la direction longitudinale (DL) à partir de la partie de pied et suivant la direction transversale (DT) entre une portion de bord d’attaque (100a) et une portion de bord de fuite (100b),
- la mise en forme de l'ébauche fibreuse (100) pour obtenir une préforme fibreuse (200) en une seule pièce ayant ladite partie de profil aérodynamique formant une partie de préforme de profil aérodynamique (21 1 ) et ladite partie de pied formant une partie de préforme de pied (212), et
- la densification de la préforme (200) par une matrice pour obtenir une aube ou une pale d’hélice (10) en matériau composite ayant un renfort fibreux constitué par la préforme fibreuse et densifié par la matrice, et formant une seule pièce avec pied intégré (12), caractérisé en ce que la partie de pied de l’ébauche fibreuse (112) comprend plusieurs déliaisons (106, 107) s’étendant suivant un plan parallèle à la surface de l’ébauche fibreuse (100), chaque déliaison (106, 107) s’étend dans la direction transversale (DT) depuis un bord (1 120, 1121 ) de la partie de pied
(1 12) de l’ébauche fibreuse et sur une distance (dioe, d-ioz) inférieure à la moitié de la largeur (ln2) de la partie de pied, chaque déliaison (106, 107) séparant deux portions tissées (113, 1 14, 1 15, 1 16) dans l’ébauche fibreuse (100) et en ce que la mise en forme de l’ébauche fibreuse comprend l’orientation dans des directions différentes des portions tissées (1 13, 114, 1 15, 1 16) séparées par les déliaisons (106, 107) de manière à former une partie de préforme de pied (212) comportant une pluralité de branches (213, 214, 215, 216).
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la densification de la préforme fibreuse (200) comprend le placement de la préforme dans un outillage d’injection (300) présentant la forme de l’aube ou de la pale d’hélice à fabriquer, des éléments d’insertion amovibles (330, 331 , 332, 333) étant placés entre les branches (213, 214, 215, 216) de la partie de préforme de pied (212), la densification comprenant en outre l’injection d’une résine (360) dans la préforme fibreuse (200) maintenue dans l’outillage d’injection (300), la transformation de la résine en matrice par traitement thermique et le démoulage de l’aube (10) ou de la pale d’hélice, le démoulage comprenant le retrait des éléments d’insertion de manière à obtenir un pied (12) avec une pluralité de branches (13, 14, 15, 16).
[Revendication 3] Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la densification de la préforme fibreuse (200) comprend le placement de la préforme dans un outillage d’injection (400) présentant la forme de l’aube ou de la pale d’hélice à fabriquer, des éléments de comblement (217, 218, 219, 220) étant placés entre les branches (213,214, 215, 216) de la partie de préforme de pied (212), la densification comprenant en outre l’injection d’une résine (460) dans la préforme fibreuse maintenue dans l’outillage d’injection, la transformation de la résine en matrice par traitement thermique et le démoulage de l’aube (20) ou de la pale d’hélice de manière à obtenir un pied (22) comprenant un squelette formé d’une pluralité de branches (23, 24, 25, 26) avec les éléments de comblement collés entre les branches dudit squelette.
[Revendication 4] Procédé selon la revendication 3, dans lequel les éléments de comblement (217, 218, 219, 220) sont constitués d’un matériau fibreux choisi parmi un des matériaux fibreux suivants : tissés tridimensionnels, strates unidirectionnelles et mat de fibres.
[Revendication 5] Procédé selon la revendication 3, dans lequel les éléments de comblement sont en matériau métallique.
[Revendication 6] Aube ou pale d'hélice (10) pour roue mobile de turbopropulseur en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, l'aube ou la pale d'hélice comportant suivant une direction d'envergure (DL) un pied (12) et un profil aérodynamique (11), le renfort fibreux comprenant une préforme fibreuse (200) présentant un tissage tridimensionnel avec une partie de préforme de pied (212) présente dans le pied (12) et une partie de préforme de profil aérodynamique (211) présente dans le profil aérodynamique (111), les parties de préforme de pied et de profil aérodynamique étant liées l'une à l'autre par le tissage tridimensionnel, caractérisée en ce que le pied (12) comporte une pluralité de branches (13, 14, 15, 16) et en ce que la partie de préforme de pied (212) de la préforme fibreuse (200) comprend une pluralité de branches (213, 214, 215, 216) s'étendant chacune dans une branche (13, 14, 15, 16) du pied (12).
[Revendication 7] Aube ou pale d'hélice (20) de turbopropulseur en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, l'aube ou la pale d'hélice comportant suivant une direction d'envergure (DL) un pied (22) et un profil aérodynamique (21), le renfort fibreux comprenant une préforme fibreuse (200) présentant un tissage tridimensionnel avec une partie de préforme de pied (212) présente dans le pied (22) et une partie de préforme de profil aérodynamique (211) présente dans le profil aérodynamique (21), les parties de préforme de pied et de profil aérodynamique étant liées l'une à l'autre par le tissage tridimensionnel, caractérisée en ce que le pied (22) présente une forme de bulbe, ledit pied comprenant un squelette comportant une pluralité de branches (23, 24, 25, 26) avec des éléments de comblement (217, 218, 219, 220) présents entre les branches et en ce que la partie de préforme de pied (212) de la préforme fibreuse (200) comprend une pluralité de branches (213,214, 215, 216) s’étendant chacune dans une branche (23, 24, 25, 26) du squelette du pied (22).
[Revendication 8] Aube ou pale d’hélice selon la revendication 7, dans laquelle les éléments de comblement (217, 218, 219, 220) sont constitués d’un matériau fibreux choisi parmi un des matériaux fibreux suivants : tissés tridimensionnels, strates unidirectionnelles et mat de fibres.
[Revendication 9] Aube ou pale d’hélice selon la revendication 7, dans laquelle les éléments de comblement sont en matériau métallique.
[Revendication 10] Moteur aéronautique comprenant une pluralité d’aubes ou de pales d’hélice selon l’une quelconque des revendications 6 à 9.
[Revendication 11] Aéronef comprenant au moins un moteur selon la revendication 10.
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