FR2941487A1 - Aube de turbomachine en materiau composite a pied renforce - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une aube (10) de turbomachine en matériau composite comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel de fils et densifié par une matrice. L'aube comprend une partie constitutive de pale (12) et pied d'aube (14) formant une seule pièce. Le pied d'aube a deux flancs latéraux (22, 24) opposés sensiblement plans qui sont formés dans le prolongement respectif des surfaces intrados (12a) et extrados (12b) de la pale et il est enserré entre deux plaques métalliques (26, 28) fixées contre les flancs latéraux du pied.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des aubes de turbomachine en matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice.
Le domaine visé est celui des aubes de turbines à gaz pour moteurs aéronautiques ou turbines industrielles. La réalisation d'aubes en matériau composite pour des turbomachines a déjà été proposée. On pourra par exemple se référer à la demande de brevet FR 08 58090 (non publiée à ce jour) déposée conjointement aux noms de Snecma et de Snecma Propulsion Solide qui décrit la fabrication d'une aube de turbomachine par réalisation d'une préforme fibreuse par tissage tridimensionnel et densification de la préforme par une matrice. Par rapport à une aube métallique obtenue de fonderie, une aube en matériau composite présente certains inconvénients liés notamment au montage de celle-ci sur un disque métallique de rotor. En particulier, une aube obtenue par un procédé tel que décrit dans le document FR 08 58090 présente généralement un pied dont l'épaisseur est faible (inférieure à 5mm pour une aube de turbine basse-pression). Or, le montage d'une aube par emmanchement de son pied dans une alvéole axiale d'un disque de rotor nécessite de disposer d'un pied d'aube d'une certaine épaisseur pour assurer un parfait maintien de l'aube sur le disque. De plus, l'opération d'usinage du pied d'aube pour ajuster son profil à l'alvéole du disque de rotor préalablement au montage de l'aube sur celui-ci est difficilement praticable sur une aube en matériau composite sans endommager celle-ci. En effet, une telle opération détruirait irrémédiablement la couche de cicatrisation superficielle généralement déposée sur l'aube après densification de la préforme. Enfin, une fois montée sur le disque de rotor, le contact entre le métal du disque et le matériau composite constituant le pied d'aube pose d'évidents problèmes d'usures par fretting et de différentiels de dilatation thermique entre le métal et le matériau composite.
Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de proposer une aube en matériau composite ne présentant pas les inconvénients précités.
Ce but est atteint grâce à une aube en matériau composite comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel de fils et densifié par une matrice, l'aube comprenant une partie constitutive de pale et pied d'aube formant une seule pièce, le pied d'aube ayant deux flancs latéraux opposés sensiblement plans qui sont formés dans le prolongement respectif des surfaces intrados et extrados de la pale, caractérisée en ce que le pied d'aube est enserré entre deux plaques métalliques fixées contre les flancs latéraux du pied d'aube. La présence de plaques métalliques enserrant le pied d'aube présente de nombreux avantages. En particulier, ces plaques permettent d'augmenter l'épaisseur du pied d'aube ce qui facilite le montage de l'aube sur un disque de rotor. De plus, elles peuvent être aisément usinées afin d'ajuster le profil du pied d'aube aux alvéoles du disque de rotor sur lequel l'aube est montée. Enfin, le recours à ces plaques métalliques évite tout contact métal/matériau composite au niveau du pied d'aube avec tous les problèmes que cela pose. Selon une disposition particulière de l'invention, l'une des plaques métalliques comprend un rebord venant se loger sous le pied d'aube.
Au moins l'une des plaques métalliques peut comprendre au niveau d'une extrémité axiale aval un crochet destiné à recevoir un jonc d'arrêt. Alternativement, au moins l'une des plaques métalliques peut comprendre au niveau d'une extrémité axiale aval une encoche destinée à coopérer avec une dent d'un flasque annulaire d'étanchéité.
Les plaques métalliques sont fixées contre les flancs latéraux du pied d'aube par soudage d'au moins un pion traversant les plaques et le pied d'aube selon une direction sensiblement perpendiculaire à ses flancs latéraux. En fonction de la forme des alvéoles du disque de rotor recevant l'aube, les plaques métalliques peuvent être usinées en forme de queue d'aronde. L'invention concerne également un disque de rotor de turbomachine comprenant à sa périphérie extérieure une pluralité d'alvéoles métalliques sensiblement axiales et une pluralité d'aubes telles que définies précédemment, chaque aube étant montée par son pied dans une alvéole du disque. L'invention concerne encore une turbomachine comportant au moins un tel disque de rotor.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en perspective montrant le montage 10 d'une aube de turbomachine selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective de l'aube montée de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale de l'aube de la 15 figure 2 ; - la figure 4 est une vue partielle d'un disque de rotor muni d'aubes selon le premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une vue partielle d'une aube montée sur un disque de rotor selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; 20 - la figure 6 est une vue partielle d'une aube montée sur un disque de rotor selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; et - les figures 7A et 7B sont des vues d'aubes montées sur un disque de rotor selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
25 Description détaillée de modes de réalisation L'invention est applicable à différents types d'aubes en matériau composite de turbomachine, notamment des aubes de compresseur et de turbine de différents corps de turbines à gaz, par exemple une aube de disque de rotor de turbine basse-pression, telle que celle illustrée par la 30 figure 1. De façon connue en soi, l'aube 10 des figures 1 à 4 comprend une pale 12, un pied 14 formé par une partie de plus forte épaisseur et prolongé par une échasse 16, et une plateforme 18 située entre l'échasse 16 et la pale 12. L'aube pourrait également comporter un talon (non 35 représenté) au voisinage de l'extrémité libre 20 de la pale.
La pale 12 forme une surface aérodynamique qui s'étend en direction longitudinale depuis la plateforme 18 jusqu'à son extrémité libre 20. Elle présente un profil incurvé d'épaisseur variable formé d'une surface intrados 12a et d'une surface extrados 12b reliées transversalement par un bord d'attaque 12c et un bord de fuite 12d. L'aube 10 est réalisée en matériau composite à partir de procédés connus de l'homme du métier. On pourra par exemple se référer à la demande de brevet FR 08 58090 qui décrit la fabrication d'une telle aube comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel de fils et densifié par une matrice. Avec un tel procédé, la partie constitutive de pale 12 forme une seule pièce avec le pied 14 de l'aube. De par son procédé de fabrication particulier, l'aube 10 présente en outre, au niveau de son pied 14, deux flancs latéraux opposés 22, 24 qui sont sensiblement plans et qui sont formés dans le prolongement respectif des surfaces intrados 12a et extrados 12b de la pale 12. Selon l'invention, le pied 14 de l'aube 10 est enserré entre deux plaques métalliques 26, 28 fixées contre les flancs latéraux 22, 24 du pied. Plus précisément, les plaques métalliques 26, 28 sont choisies dans un métal qui est compatible avec le matériau composite constituant l'aube (par exemple en Inconel pour une aube en carbone). Elles sont aplanies et usinées pour couvrir entièrement la surface des flancs latéraux 22, 24 du pied de l'aube. Dans le mode de réalisation décrit ici, la fixation des plaques métalliques s'effectue au moyen d'au moins un pion soudé 30 traversant, selon une direction sensiblement perpendiculaire aux flancs latéraux, les plaques et un orifice 32 pratiqué à cet effet au travers du pied 14 de l'aube. L'orifice 32 du pied de l'aube est ajouté au cours du processus de fabrication de l'aube, soit par l'utilisation d'un insert de forme correspondante lors du tissage, soit par le perçage du pied après la première infiltration. Les plaques métalliques sont fixées contre les flancs latéraux du pied de sorte à minimiser les jeux avec le pied. A cet effet, dans le cas de l'utilisation d'un pion soudé, les plaques peuvent être mises sous presse préalablement à l'insertion du pion. Le pion est alors inséré et soudé aux plaques métalliques, la soudure s'effectuant à une température correspondant à la température de fusion du métal dans lequel est réalisé le pion. La pression exercée sur les plaques métalliques préalablement à l'insertion du pion est notamment fonction de la température d'utilisation de l'aube. L'effort de pression maximum à appliquer sur les plaques métalliques est ainsi le produit de la contrainte (en N/mm2) admissible à la température d'utilisation par la surface (en mm2) des flancs latéraux du pied en contact avec les plaques métalliques. Le recours à un pion soudé pour l'assemblage des plaques métalliques est particulièrement avantageux. En effet, l'opération de soudage du pion à une température élevée a pour conséquence que l'énergie calorifique dégagée est transmise aux pièces environnantes de sorte que, sous l'effet de la pression exercée sur les plaques métalliques, les jeux de dilatation entre les pièces sont comblées. Dès la fin de l'opération de soudage, l'ensemble se restreint en se refroidissant ce qui augmente davantage les efforts de serrage des plaques métalliques sur le pied de l'aube. Bien entendu, d'autres moyens de fixation des plaques métalliques sur le pied de l'aube pourraient être utilisés, comme par exemple une fixation par rivet(s) ou une fixation à l'aide d'au moins un système de type vis/écrou. Par ailleurs, l'adhérence des plaques métalliques sur le pied de l'aube pourrait être améliorée en dégradant l'état de surface des faces des plaques métalliques en regard des flancs latéraux du pied.
En outre, comme représenté sur les figures 1 à 4, l'une des plaques métalliques (à savoir ici la plaque 26) peut comporter un rebord 34 venant se loger sous le pied de l'aube lorsque que les plaques sont fixées contre les flancs latéraux du pied. Ce rebord 34 permet notamment d'éviter la rotation des plaques métalliques autour de leur axe de serrage lors de la fixation de celles-ci contre les flancs latéraux du pied. Une fois les plaques métalliques 26, 28 assemblées sur le pied 14 de l'aube 10, elles sont usinées afin d'ajuster le profil du pied aux alvéoles d'un disque de rotor sur lequel l'aube est montée. Ainsi, la figure 4 représente partiellement en coupe radiale un disque de rotor 36 comprenant à sa périphérie extérieure une pluralité d'alvéoles métalliques 38 qui s'étendent selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de rotation du disque. Dans chacune de ces alvéoles 38 est monté un pied 14 usiné d'une aube 10 selon l'invention. La figure 5 représente partiellement une aube 10' selon un deuxième mode de réalisation de l'invention qui est montée sur un disque de rotor 36'. Par rapport au premier mode de réalisation, l'aube 10' décrite ici présente un pied 14 muni de plaques métalliques 26', 28' qui sont fixées contre ses flancs latéraux par l'intermédiaire de deux pions soudés 30' (un seul est représenté sur la figure 5, le second étant décalé transversalement par rapport au premier) et qui sont ensuite usinées en forme de queue d'aronde. L'aube 10' est en outre montée sur un disque de rotor 36' muni à sa périphérie extérieure d'une pluralité d'alvéoles axiales 38' ayant chacune une forme complémentaire au pied usiné de l'aube.
La figure 6 représente partiellement une aube 10" selon un troisième mode de réalisation de l'invention qui est montée sur un disque de rotor 36 similaire à celui décrit en liaison avec la figure 4. Par rapport au premier mode de réalisation, l'aube 10" décrite ici se distingue en ce qu'au moins l'une des plaques métalliques fixées sur le pied 14 (à savoir la plaque métallique 26" sur la figure 4) comprend au niveau d'une extrémité axiale aval un crochet 40 ouvert vers l'intérieur (c'est-à-dire vers l'axe de rotation du disque de rotor) et recevant un jonc annulaire d'arrêt 42. De façon connue, un tel jonc 42 permet d'assurer un maintien axial des aubes dans les alvéoles 38 du disque de rotor et participe à la ventilation des pieds d'aube. Les figures 7A et 7B représentent partiellement une pluralité d'aubes 10"' selon un quatrième mode de réalisation de l'invention qui sont montées sur un disque de rotor 36 similaire à celui décrit en liaison avec la figure 4.
Par rapport au premier mode de réalisation, l'aube 10"' décrite ici se distingue en ce qu'au moins l'une des plaques métalliques 26"' fixées sur le pied 14 est plus longue que l'autre plaque 28 (c'est-à-dire qu'elle fait saillie axialement vers l'aval par rapport à l'autre plaque 28) et comprend au niveau d'une extrémité axiale aval une encoche 44 destinée à coopérer avec une dent 46 d'un flasque annulaire d'étanchéité 48.
Un tel assemblage permet d'assurer un maintien des aubes 10"' sur le disque de rotor 36 par crabotage. Plus précisément, le flasque d'étanchéité 48 est dans un premier temps amené contre la face aval du disque de rotor avec ses dents 46 positionnées entre deux pieds d'aube adjacents (figure 7A). Puis, comme représenté sur la figure 7B, le flasque d'étanchéité 48 est pivoté angulairement autour de son axe (dans le sens antihoraire sur la figure 7B) de telle sorte que les dents 46 viennent chacune se loger dans une encoche 44 de la plaque métallique 26"' d'un pied d'aube, assurant ainsi le maintien axial des aubes dans les alvéoles 38 du disque de rotor.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Aube (10, 10', 10", 101") de turbomachine en matériau composite comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel de fils et densifié par une matrice, l'aube comprenant une partie constitutive de pale (12) et pied d'aube (14) formant une seule pièce, le pied d'aube ayant deux flancs latéraux (22, 24) opposés sensiblement plans qui sont formés dans le prolongement respectif des surfaces intrados (12a) et extrados (12b) de la pale, caractérisée en ce que le pied d'aube est enserré entre deux plaques métalliques (26, 26', 26", 26"', 28, 28') fixées contre les flancs latéraux du pied d'aube.
  2. 2. Aube selon la revendication 1, dans laquelle l'une des plaques métalliques (26, 26', 26", 26"') comprend un rebord (34) venant se loger sous le pied d'aube.
  3. 3. Aube selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle au moins l'une des plaques métalliques (26") comprend au niveau d'une extrémité axiale aval un crochet (40) destiné à recevoir un jonc d'arrêt (42).
  4. 4. Aube selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle au moins l'une des plaques métalliques (26"') comprend au niveau d'une extrémité axiale aval une encoche (44) destinée à coopérer avec une dent (46) d'un flasque annulaire d'étanchéité (48).
  5. 5. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les plaques métalliques sont fixées contre les flancs latéraux du pied d'aube par soudage d'au moins un pion (30, 30') traversant les plaques et le pied d'aube selon une direction sensiblement perpendiculaire à ses flancs latéraux.
  6. 6. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les plaques métalliques (26', 28') sont usinées en forme de queue d'aronde.
  7. 7. Disque de rotor (36, 36') de turbomachine comprenant à sa périphérie extérieure une pluralité d'alvéoles métalliques (38, 38') sensiblement axiales, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pluralité d'aubes selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, chaque aube étant montée par son pied dans une alvéole du disque.
  8. 8. Turbomachine comportant au moins un disque de rotor selon la revendication 7.
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