FR2948633A1 - Poutre de suspension annulaire de turbomoteur a la structure d'un aeronef - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur une poutre de suspension de turbomoteur à la structure d'un aéronef comprenant un premier moyen d'attache (12) agencé pour être fixé à ladite structure d'aéronef et des deuxièmes moyens d'attache (13) de part et d'autre du premier moyen, agencés pour être fixés au moteur. La poutre est caractérisée par le fait qu'elle est réalisée , caractérisée par le fait qu'elle est en forme d'anneau (11), ledit anneau étant agencé pour entourer le turbomoteur et étant réalisé au moins en partie en matériau composite à matrice métallique incorporant des fibres de renfort (11A).

Description

La présente invention concerne le domaine des turbomoteurs aéronautiques et vise plus particulièrement la suspension d'un turbomoteur à la structure d'un aéronef Sur un aéronef, un turbomoteur tel qu'un turboréacteur, peut être fixé en différents endroits sur la structure de celui-ci. Par exemple il peut être fixé sous l'aile par le moyen d'un pylône qui assure l'interface entre le moteur et l'aéronef Généralement l'ensemble assurant la suspension comprend une suspension avant et une suspension arrière avec des points d'attache sur le moteur dans deux plans perpendiculaires à l'axe moteur. Les différents efforts transitant par les deux suspensions sont répartis entre l'avant et l'arrière. Le plan de la suspension avant passe par le moyeu avant et le carter dit intermédiaire et le plan de la suspension arrière passe par le moyeu arrière et le carter dit d'échappement.

Par exemple dans le cas d'un montage sous aile, la suspension arrière comprend généralement une poutre transversale reliée par des biellettes au carter d'échappement du moteur. La poutre transversale comprend un moyen d'attache au pylône et se prolonge transversalement par rapport à l'axe du moteur par deux bras dont la longueur doit permettre d'attacher les biellettes aussi loin que possible du plan médian du pylône afin que celles-ci soient fixées au carter du moteur dans une position la plus basse possible. La longueur de la poutre est limitée par l'augmentation de poids que cela entraîne et que l'on souhaite faible mais aussi par l'augmentation de l'encombrement qui induit un accroissement du maître couple et qui n'est pas souhaitable non plus.

En outre les matériaux utilisés dans l'art antérieur ne permettraient pas 30 d'allonger les poutres transversalement : - Les alliages métalliques utilisés ont une forte masse volumique comme l'Inconel7l8 . Il s'ensuit qu'éloigner les points d'attache des biellettes de la fixation centrale au pylône revient à augmenter la masse de la suspension de façon importante. 35 - Les propriétés mécaniques de ces matériaux impliquent l'adoption de formes très pénalisantes en termes d'encombrement ; il s'ensuit la nécessité d'augmenter le volume et surtout le maître couple de la nacelle enveloppant le moteur si la poutre est destinée à la suspension avant au niveau du carter intermédiaire ; il s'ensuit aussi une dégradation de 40 l'écoulement des flux gazeux à l'intérieur du moteur si la poutre est destinée au montage du carter d'échappement.

La demanderesse s'est fixé comme objectif la réalisation de poutres de suspension permettant une disposition optimale des points d'attache sans implication négative à la fois sur la masse de la suspension et sur son encombrement.

La poutre ne doit pas être limitée à une suspension sous aile.

La poutre, conforme à l'invention, pour la suspension d'un turbomoteur à la structure d'un aéronef comprenant un premier moyen d'attache agencé pour être fixé à ladite structure d'aéronef et des deuxièmes moyens d'attache agencés pour être fixés au turbomoteur, est caractérisée par le fait qu'elle est en forme d'anneau ledit anneau étant agencé pour entourer le turbomoteur et étant réalisé au moins en partie en matériau composite à matrice métallique.

Les matériaux composites a matrice métalliques sont en soi connus pour la réalisation de pièces allongées travaillant en compression/traction, telles que des bielles, ou des pièces de forme axisymétrique. Ils présentent l'avantage de permettre la réalisation de pièces avec d'excellentes propriétés mécaniques lorsqu'elles sont amenées à travailler en compression ou traction dans le même sens que l'orientation des fibres pour une masse plus faible que les alliages métalliques destinés aux mêmes applications. Ce matériau convient au domaine aéronautique, notamment, où un objectif constant est l'optimisation de la résistance des pièces pour une masse et un encombrement minimaux. Les pièces comportent un insert en matériau composite à matrice métallique, les pièces pouvant être par ailleurs monolithiques. Un tel matériau composite est formé d'une matrice d'alliage métallique, par exemple d'alliage de titane Ti, au sein de laquelle s'étendent des fibres, par exemple des fibres céramiques de carbure de silicium SiC. De telles fibres présentent une résistance en traction bien supérieure à celle du titane (typiquement, 4000 Mpa contre 1000 Mpa). Ce sont donc les fibres qui reprennent les efforts, la matrice d'alliage métallique assurant une fonction de liant avec le reste de la pièce, ainsi que de protection et d'isolation des fibres, qui ne doivent pas entrer en contact les unes avec les autres. En outre, les fibres céramiques sont résistantes à l'érosion, mais doivent nécessairement être renforcées par du métal.

Ainsi l'invention a consisté à utiliser un nouveau matériau pour cette application de suspension et à reconnaître qu'il était possible de conformer la poutre convenablement. En raison de la faible masse volumique du matériau, la longueur de l'anneau n'induit pas d'accroissement de poids. Par ailleurs, dans la mesure où la poutre est amenée à travailler en traction/compression, sa très grande résistance mécanique permet de limiter son encombrement. Conformément à une autre caractéristique, les fibres de renfort de l'anneau sont disposées en anneaux concentriques audit anneau.

Conformément à un mode de réalisation avantageux, le premier moyen 10 d'attache comprend une platine agencée pour recevoir des moyens de fixation, tels que des vis. La platine peut être ainsi fixée, par exemple, directement au pylône de l'aéronef dans le cas d'un montage sous aile.

Plus particulièrement, la platine est en forme de bloc métallique avec des 15 logements pour des moyens de fixation à la structure de l'aéronef disposés de part et d'autre des fibres de la poutre.

Conformément à un mode de réalisation particulier, la platine est pourvue d'au moins une chape formant un moyen d'attache supplémentaire par 20 exemple pour une liaison en attente qui devient active lorsque les deuxièmes moyens d'attache sont défaillants. Conformément à une autre caractéristique, les deuxièmes moyens d'attache sont répartis sur le pourtour de l'anneau ; plus particulièrement les 25 deuxièmes moyens d'attache répartis sur le pourtour de l'anneau sont formés de chapes. Les chapes sont solidaires de l'anneau en étant monoblocs et sont venues d'usinage avec l'anneau ou bien sont rapportées sur l'anneau.

30 Les biellettes ou autre moyens de liaison sont montés par une extrémité sur ces chapes, par des organes généralement rotulants, et par l'autre extrémité au carter du moteur.

La poutre de suspension de l'invention peut être mise en oeuvre dans tout 35 type de suspension, notamment pour suspendre un turbomoteur à un aéronef dans l'une des positions suivantes sous l'aile, sur l'aile, la nacelle étant intégrée à l'aile, sur le fuselage ou sur l'empennage.

On décrit maintenant, à titre d'illustration, un mode non limitatif de 40 réalisation de l'invention en référence aux dessins sur lesquels5 La figure 1 représente, vu de côté, un turboréacteur à soufflante avant pourvu d'une poutre de suspension montée sur le carter d'échappement, La figure 2 montre une poutre conforme à l'invention en perspective, en situation dans son environnement, La figure 3 montre, par transparence, la disposition des fibres de renfort à l'intérieur de la poutre, La figure 4 montre, vu de côté, un mode de réalisation du premier moyen d'attache à la structure de l'aéronef, La figure 5 est une vue de dessus du premier moyen d'attache de la 10 figure 5, La figure 6, est une représentation schématique d'un deuxième moyen d'attache.

On a représenté sur la figure 1 la silhouette générale d'un turboréacteur à 15 double flux 1. De gauche à droite, on voit le carter de la soufflante 2 et le carter intermédiaire 3. On ne voit de ce dernier que la virole extérieure. Elle est reliée par des bras radiaux au moyeu, non visibles sur la figure, supportant par l'intermédiaire de paliers appropriés les arbres des rotors des ensembles tournants et formant les corps à basse pression, BP, et à haute 20 pression, HP, par exemple. En se déplaçant sur la figure vers la droite, de diamètres plus petits, on trouve successivement les carters des étages de compression HP 4, de la chambre de combustion 5, des étages de turbine HP 6, puis, de diamètres croissant, des étages de turbine BP 7 en aval de laquelle se trouve le carter d'échappement 8 qui comme le carter 25 intermédiaire 3 supporte un moyeu sur lequel sont montés les paliers de roulement aval des arbres des rotors des ensembles tournants de la machine.

Le moteur 1 est suspendu à la structure de l'aéronef qu'il propulse et qui 30 n'est pas représenté, par une suspension avant non représentée ici et par une suspension arrière 10. La suspension est montrée en situation, sur la figure 2, sur le carter d'échappement 8 qui a été schématisé par un cercle. La suspension 10 comprend, conformément à l'invention, une poutre 11 réalisée en matériau composite à matrice métallique. La poutre 11 forme un 35 anneau sur 360°. La poutre est disposée autour du carter d'échappement dans le plan (Oy, Oz) perpendiculairement à l'axe du moteur Ox. Oy indique la direction transversale et Oz la direction verticale.

Un premier moyen d'attache est formé par une platine 12 solidaire de la 40 poutre. La platine 12 est formée d'un bloc métallique avec une face dans le plan (Ox, Oy) pour un montage fixe à un pylône non représenté. La platine est fixée au pylône par exemple par des vis disposées dans des logements 12a ménagés sur la platine de part et d'autre de la poutre 11 et de la zone de passage des fibres de renfort. La platine peut comporter le cas échéant des logements pour des pions de cisaillement comme cela est connu.

Des deuxièmes moyens d'attache sont formés par des chapes 13, dont on a représenté une en situation sur la figure 6, solidaires de la poutre 11. Les chapes, simples ou doubles, comportent un orifice d'axe parallèle à l'axe moteur Ox pour le montage de l'extrémité d'une biellette, 21, 22 ou 23. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement trois biellettes réparties sur le pourtour de l'anneau. Ces biellettes sont orientées de manière à optimiser l'introduction des efforts dans l'anneau de façon à ce que les fibres travaillent majoritairement en traction/compression ou en flexion. Les biellettes sont sensiblement tangentes à la courbe de l'anneau. Le montage des biellettes sur l'anneau est de type rotulant, comme cela est connu dans le domaine. La transmission des efforts entre les chapes et les biellettes est ainsi exclusivement orientée dans le sens de la longueur des biellettes. L'autre extrémité des biellettes est fixée à une bride du carter d'échappement 8 par un montage de type rotulant également. Les liaisons des biellettes au carter et à l'anneau ne sont pas représentées.

Cette géométrie de la poutre de suspension est rendue possible par la présence de fibres de renfort telles que des fibres de carbure de silicium dans sa structure. La figure 3 montre, en transparence, un exemple de disposition des fibres de renforts. Les fibres 1la forment des anneaux concentriques à l'anneau 11.

30 La disposition des fibres de renfort le long de l'anneau confère à la poutre une très grande résistance le long du chemin des efforts entre le premier moyen d'attache et les deuxièmes moyens d'attache.

On a représenté plus en détail un mode de réalisation du premier moyen 35 d'attache 12, sur les figures 4 et 5. La platine du moyen d'attache s'étend en travers de part et d'autre du faisceau de fibres de renfort. Cet agencement permet de ménager les logements pour les organes de fixation en dehors du faisceau de fibres de manière à ne pas les affaiblir.25 Le cas échéant, on prévoit un deuxième moyen d'attache formé ici des deux chapes 12c et 12d percées d'un orifice d'axe parallèle à l'axe du moteur pour une fixation en attente par exemple.

L'application de la poutre de l'invention ne se limite pas au montage sous aile. On comprend qu'elle peut être utilisée pour tous les autres types de montage dans lesquels elle est susceptible de travailler en traction / compression et flexion.

L'une ou l'autre des poutres représentées ci-dessus peut être fabriquée en mettant en oeuvre tout ou partie de l'enseignement de l'un des procédés exposés dans les demandes de brevet FR 2 886 290, FR 2 919 283, FR 2 919 284 au nom de la demanderesse ou bien FR 2 925 897 et FR 2 925 895 au nom de Messier Dowty.

Selon un mode de fabrication, une première étape comprend la préparation d'un insert ou une pluralité d'inserts à partir de fils céramiques à matrice métallique. Ces fils comprennent une fibre céramique, telle que de SiC, enduite de métal. Ils sont désignés aussi fibres CMM ou fils enduits. Le métal donne l'élasticité et la souplesse nécessaires à leur manipulation.

La fabrication des fils de matériau composite, ou fils enduits, peut être effectuée de diverses manières, par exemple par dépôt de métal en phase vapeur sous un champ électrique, par électrophorèse à partir de poudre métallique ou encore par enduction de fibres céramiques au trempé dans un bain de métal liquide. Un tel procédé d'enduction de fibres céramiques, au trempé, dans un métal liquide, est présenté dans le brevet EP 0 931 846, au nom de la Demanderesse.

L'insert est réalisé par assemblage de fils enduits de manières à former un faisceau. Les fils sont maintenus entre eux provisoirement par collage ou bien par enveloppage d'un clinquant autour du faisceau. L'assemblage peut être réalisé aussi par bobinage de fils enduits autour d'un mandrin comme cela est décrit par exemple dans le brevet FR 2 886 290.

Le bobinage ou le faisceau de fils est ensuite introduit dans un conteneur métallique dans lequel on a usiné au préalable une rainure formant un logement pour l'insert. La profondeur de la rainure est supérieure à la hauteur du bobinage. Un couvercle est placé sur le conteneur et soudé à sa périphérie après avoir été mis sous vide. Le couvercle présente un tenon de forme complémentaire à celle de la rainure et sa hauteur est adaptée à celle du bobinage placé dans la rainure de façon à venir combler la rainure. On procède ensuite à une étape de compression isostatique à chaud au cours de laquelle, les vides interstitiels entre les fibres sont comblés par le métal de la matrice. Les gaines des fils métalliques se soudent entre elles et avec les parois de la rainure par diffusion pour former un ensemble dense composé d'alliage métallique au sein duquel s'étendent les fibres céramiques. L'ensemble obtenu est usiné pour obtenir la pièce voulue incorporant les fibres de renfort.

Des variantes comprennent, au lieu d'une rainure, l'usinage de deux épaulements dans le corps principal formant une surface d'appui pour l'insert. Après mise en place de l'insert ou le bobinage directement de l'insert sur le corps principal. On reconstitue ensuite la rainure et l'ensemble du conteneur dont on soude les différents composants avant le traitement de compaction isostatique à chaud.

Selon la demande FR 2925897, on procède à la réalisation d'un insert par assemblage en faisceau de fils enduits puis à son incorporation dans un conteneur avec une poudre métallique. Le conteneur est mis sous vide et fermé par un couvercle avant compression isostatique à chaud. La technologie des poudres permet de réaliser directement des pièces présentant à la fois une grande précision dimensionnelle, de hautes performances mécaniques, ainsi qu'une excellente homogénéité métallurgique. En outre la géométrie de la pièce issue du procédé peut être choisie de façon à ce qu'elle soit au plus près de la pièce définitive, ne nécessitant pas ou peu d'opération d'usinage.

Ces exemples de mode de fabrication sont indiqués à titre illustratif. Ils ne sont pas exhaustifs.

Claims (8)

1. Revendications1. Poutre de suspension de turbomoteur à la structure d'un aéronef comprenant un premier moyen d'attache (12) agencé pour être fixé à ladite structure d'aéronef et des deuxièmes moyens d'attache (13) agencés pour être fixés au turbomoteur, caractérisée par le fait qu'elle est en forme d'anneau (11), ledit anneau étant agencé pour entourer le turbomoteur et étant réalisé au moins en partie en matériau composite à matrice métallique incorporant des fibres de renfort (11 a).
2. 2. Poutre selon la revendication précédente, dont les fibres de renfort (1 la) de l'anneau (11) sont disposées en anneaux concentriques audit anneau.
3. 3. Poutre selon l'une des revendications précédentes, dont le premier moyen d'attache (12) comprend une platine agencée pour recevoir des moyens de fixation, tels que des vis. 20
4. 4. Poutre selon la revendication précédente, dont la platine est en forme de bloc métallique avec des logements (12a) pour des moyens de fixation à la structure de l'aéronef de part et d'autre de la poutre.
5. 5. Poutre selon l'une des revendications 3 et 4 dont la platine est 25 pourvue d'au moins une chape (12c, 12d) formant un moyen d'attache supplémentaire, notamment en attente en cas de rupture des deuxièmes moyens d'attache.
6. 6. Poutre selon l'une des revendications précédentes dont les deuxièmes 30 moyens d'attache (13) sont répartis sur le pourtour de l'anneau (11).
7. 7. Poutre selon la revendication précédente dont les deuxièmes moyens d'attache (13) répartis sur le pourtour de l'anneau sont formés de chapes.
8. 8. Utilisation d'une poutre de suspension selon l'une des revendications pour suspendre un turbomoteur à un aéronef dans l'une des positions suivantes : sous aile, sur aile, la nacelle étant intégrée à l'aile, sur fuselage ou sur empennage. 35 40