FR2948634A1 - Poutre de suspension de turbomoteur a la structure d'un aeronef - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur une poutre (11) 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 deux deuxièmes moyens d'attache (13, 14) de part et d'autre du premier moyen d'attache dans le sens de la longueur de la poutre (11), agencés pour être fixés au moteur. La poutre est caractérisée par le fait qu'elle est réalisée au moins en partie en matériau composite à matrice métallique incorporant des fibres de renfort (11'A, 11'). Avantageusement la poutre est en forme d'arc de cercle, les deux deuxièmes moyens (13, 14) étant disposés aux extrémités de la poutre.

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.

Afin de mieux reprendre les efforts générés par le moteur et notamment le couple, il serait en effet souhaitable que les points d'attache du moteur sur la poutre forment avec la verticale un angle compris entre 20 et 90°. Il s'agit plus précisément de l'angle défini entre le plan médian du pylône et le plan radial passant par l'axe du moteur et par l'axe d'une des chapes sur la poutre auxquelles est fixé le moteur. Les points de fixation sur le moteur seraient ainsi le plus bas possible assurant un accrochage stable. Un tel agencement permet de répartir les efforts de façon optimale le long des carters du moteur.

La longueur de la poutre est cependant 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 d'allonger les poutres transversalement et de ménager des points d'attache formant un angle aussi important : - Les alliages métalliques utilisés ont une forte masse volumique comme l'Incone1718 . Il s'ensuit qu'éloigner les points d'attache de la fixation centrale au pylône revient à augmenter la masse de la suspension de façon importante. - 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 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 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, 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 deux deuxièmes moyens d'attache de part et d'autre du premier moyen dans le sens de la longueur de la poutre agencés pour être fixés au moteur, est caractérisée par le fait que la poutre est réalisée au moins en partie en matériau composite à matrice métallique incorporant des fibres de renfort.

Les matériaux composites à 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 de renfort, 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 particulier dans la mesure où la poutre est amenée à travailler en traction et en flexion, il est possible de la conformer de façon à ce qu'elle présente pas les inconvénients en masse et en encombrement rapportés ci-dessus.

Conformément à un mode de réalisation avantageux, la poutre est de forme allongée et plus particulièrement en forme d'arc de cercle, les deux deuxièmes moyens d'attache étant disposés aux extrémités de la poutre. On peut ainsi choisir un angle, formé par les points d'attache, très ouvert, selon les besoins. Notamment la poutre s'étend entre ses extrémités sur un arc de cercle compris entre 40° et 180°.

Plus particulièrement, le premier moyen d'attache est disposé au milieu et à 25 égale distance des deux deuxièmes moyens d'attache. Un tel agencement convient pour un montage avec une répartition symétrique des efforts.

L'invention présente ainsi l'avantage de réduire la masse des suspensions de l'ordre de 30 à 50% par rapport à l'art antérieur, tout en assurant une 30 meilleure reprise des efforts provenant du moteur et sans impact négatif sur le maître couple de la nacelle. En raison du caractère monolithique de la pièce, la maintenance en est facilitée.

Conformément à une autre caractéristique, la poutre comprend des fibres de 35 renfort qui s'étendent entre deux moyens d'attache. En particulier les fibres s'étendent d'un deuxième moyen d'attache à l'autre deuxième moyen d'attache, sans interruption des fibres.

Conformément à une autre caractéristique, le premier moyen d'attache 40 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 logements pour des moyens de fixation à la structure de l'aéronef disposé de part et d'autre des fibres de la poutre. La platine peut être fabriquée de manière à former un seul bloc avec la poutre ou bien être rapportée par tout moyen approprié sur la poutre.

Conformément à un autre mode de réalisation, la platine est pourvue d'au moins une chape formant un troisième moyen d'attache. Un tel moyen d'attache convient pour la transmission des efforts liés au couple. De préférence, la chape est orientée de telle manière que les efforts sont transmis aux fibres de la poutre tangentiellement ou sensiblement tangentiellement en limitant les contraintes subies par la chape. La chape est ainsi orientée de préférence selon un angle compris entre 50 et 80° par rapport au plan de la platine.

Conformément à un mode de réalisation particulier, les deuxièmes moyens d'attache comprennent des chapes. Les biellettes ou autre moyens de liaison sont montés, par l'intermédiaire d'organes généralement rotulants, par une extrémité sur ces chapes et par l'autre extrémité au carter du moteur.

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

On décrit maintenant, à titre d'illustration, des modes non limitatifs de réalisation de l'invention en référence aux dessins sur lesquels : 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, en perspective, une poutre conforme à 35 l'invention, 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 une variante de disposition des fibres de renfort à l'intérieur de la poutre, 40 La figure 5 montre, vu de côté, un mode de réalisation du premier moyen d'attache à la structure de l'aéronef, La figure 6 est une vue selon la coupe AA du premier moyen d'attache de la figure 5, Les figures 7 à 9 montrent une autre application de la poutre conforme à l'invention.

On a représenté sur la figure 1, la silhouette générale d'un turboréacteur à 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 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 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 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 avec un insert en matériau composite à matrice métallique. La poutre 11 est de forme allongée avec une section rectangulaire et forme un arc de cercle s'étendant ici sur sensiblement 180°. La poutre est disposée autour de la partie supérieure du carter d'échappement dans le plan (Oy, Oz) perpendiculairement à l'axe du moteur Ox. Oy indique l'axe transversal et Oz l'axe vertical.

Un premier moyen d'attache est formé par une platine 12 solidaire de la poutre entre les deux extrémités de celle-ci. 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 médiane de la poutre. La platine peut comporter le cas échéant des logements 12b pour des pions de cisaillement comme cela est connu.40 Des deuxièmes moyens d'attache sont formés par des chapes, 13 respectivement 14, solidaires de la poutre 11 à chacune de ses extrémités. 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 respectivement 22. Dans la mesure où les biellettes travaillent en traction/compression, le montage 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. Dans l'agencement représenté, les deuxièmes attaches sont sensiblement diamétralement opposées et les biellettes sont montées sur le carter en position basse dans le plan (Ox, Oy) passant par l'axe du moteur, permettant une reprise des efforts de façon optimisée pour certaines configurations d'accrochage.

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, par transparence, un premier exemple de disposition des fibres de renforts. Les fibres 11'A visibles s'étendent dans le sens de la longueur de la poutre parallèlement à ses parois et forment des boucles reliant un deuxième moyen d'attache à l'autre, 13 et 14,. Les boucles tournent autour des orifices 13a et 14a de fixation des biellettes.

La figure 4 montre un autre exemple de disposition des fibres. Les fibres 11'B forment des brins, ici trois, en arc de cercle s'étendant d'un moyen d'attache à l'autre. A la différence du mode de réalisation précédent, les brins sont coupés à proximité des deuxièmes moyens d'attache.

La disposition des fibres de renfort dans le sens longitudinal 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 d'attache 12, sur les figures 5 et 6. La platine 12 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 12a pour les organes de fixation en dehors du faisceau de fibres de manière à ne pas les affaiblir.

Le cas échéant, on prévoit un troisième moyen d'attache formé ici des deux chapes 12C et 12D percées d'un orifice, d'axe parallèle à l'axe du moteur pour la fixation de biellettes reliées au carter et par lesquelles transitent les efforts liés au couple. Les chapes sont représentées, schématiquement ici, à angle droit par rapport à la platine mais de préférence on les oriente de manière à ce que les efforts de couple transitant par elles mêmes sont tangentiels.

On a représenté sur les figures 7 à 9, un autre exemple de suspension de moteur. Selon cet exemple, la poutre 31 ou 31', correspondant à la poutre 11 de l'exemple précédent et réalisée de la même façon, est montée sur le carter intermédiaire 3 d'un turboréacteur à multiflux. La poutre 31 comprend un premier moyen d'attache 32 entre deux deuxièmes moyens d'attache 33. Le premier moyen est formé d'une platine comprenant des logements pour le passage de vis de fixation au pylône d'un aéronef dans le cas d'un montage sous aile. Les deux deuxièmes moyens d'attache 33 sont formés de chapes simples, avec la référence 33 sur la figure 9, ou doubles, avec la référence 33' sur la figure 8, pour la liaison au carter intermédiaire, soit directement sur des brides prévues à cet effet sur la virole externe de celui-ci, soit par l'intermédiaire de biellettes. Ces moyens ne sont pas représentés sur les figures 7 à 9. On note que la poutre 31, 31' est suffisamment mince pour qu'on puisse envisager de la loger entre les brides transversales de la virole s'étendant radialement vers l'extérieur.

L'application de la poutre de l'invention ne se limite pas au montage du moteur 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 ou du faisceau 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 sur le corps principal ou le bobinage directement de l'insert sur celui-ci, on reconstitue 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 (9)

1. Revendications1. Poutre de suspension de turbomoteur à la structure d'un aéronef comprenant un premier moyen d'attache (12, 32) agencé pour être fixé à ladite structure d'aéronef et deux deuxièmes moyens d'attache (13, 14 ; 33) de part et d'autre du premier moyen dans le sens de la longueur de la poutre, agencés pour être fixés au moteur, caractérisée par le fait que la poutre (11) est réalisée au moins en partie en matériau composite à matrice métallique incorporant des fibres de renfort (11'A, 11'B).
2. 2. Poutre selon la revendication précédente, en forme d'arc de cercle, les deux deuxièmes moyens (13, 14 ; 33) étant disposés aux extrémités de la poutre (11).
3. 3. Poutre selon la revendication précédente, dont le premier moyen (12 ; 32) est disposé au milieu à égale distance des deux deuxièmes moyens d'attache. 20
4. 4. Poutre selon l'une des revendications précédentes, formant un arc de cercle compris entre 40° et 180°.
5. 5. Poutre selon l'une des revendications précédentes, comprenant des fibres de renfort (11'A ; 11'B) s'étendant entre deux moyens 25 d'attache, en particulier d'un deuxième moyen d'attache (13) à l'autre deuxième moyen d'attache (14).
6. 6. Poutre selon l'une des revendications précédentes, dont le premier moyen d'attache (12) comprend une platine agencée pour recevoir 30 des moyens de fixation, tels que des vis.
7. 7. 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.
8. 8. Poutre selon l'une des revendications 6 et 7 dont la platine est pourvue d'au moins une chape (12C ; 12D) formant un troisième moyen d'attache. 40
9. 9. Poutre selon l'une des revendications précédentes dont les deuxièmes moyens d'attache (13, 14 ; 33, 33') sont formés de chapes. 351O.Poutre selon l'une des revendications précédentes comportant des moyens d'attache supplémentaires disposés en attente. 11. 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 est intégrée à l'aile, sur fuselage ou sur empennage.