FR2993490A1 - Moule pour la fabrication d'un carter de turbine en materiau composite et procede de fabrication d'un tel carter au moyen du moule - Google Patents

Moule pour la fabrication d'un carter de turbine en materiau composite et procede de fabrication d'un tel carter au moyen du moule Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un moule pour la fabrication d'un carter de turbine en matériau composite, le carter de turbine comprenant une peau annulaire et une pluralité de systèmes d'attache fixés sur une face intérieure de la peau et espacés axialement les uns des autres, le moule comprenant une pluralité de couronnes primaires (504) décalées axialement les unes des autres, chaque couronne ayant un rail annulaire (506) faisant saillie vers l'extérieur et dont le profil extérieur correspond au profil intérieur des systèmes d'attache du carter de turbine à fabriquer ; et une pluralité de couronnes secondaires (510) destinées à être chacune positionnées axialement entre les rails de deux couronnes primaires adjacentes, les couronnes secondaires ayant un profil extérieur qui correspond au profil intérieur de la peau du carter de turbine à fabriquer. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un carter de turbine en matériau composite au moyen d'un tel moule.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des carters de turbine en matériau composite pour turbomachine, et en particulier mais non exclusivement aux carters de la turbine basse-pression d'un turboréacteur du type à double flux et double corps.
De façon connue, la turbine basse-pression d'un turboréacteur à double flux et double corps est formée de plusieurs étages de turbine, chaque étage se composant d'un distributeur (c'est-à-dire d'une grille d'aubes fixes) et d'une roue mobile placée derrière le distributeur. Les roues mobiles de la turbine comportent chacune un disque de rotor sur lequel sont montées plusieurs aubes. La turbine basse-pression comprend également un carter de turbine qui est muni d'une peau annulaire disposée autour du sommet des aubes des roues mobiles de la turbine. Au niveau de sa face intérieure, la peau du carter présente une pluralité de systèmes d'attache qui sont décalés axialement les uns des autres. De tels systèmes d'attache permettent d'assurer le montage, d'une part de plates-formes extérieures des aubes des différents distributeurs de la turbine, et d'autre part de supports de matériau abradable destinés à être positionnés en regard du sommet des aubes des roues mobiles de la turbine.
Par ailleurs, le recours aux matériaux composites thermostructuraux et notamment de matériaux composites à matrice céramique (CMC) est devenu commun pour la réalisation de différentes pièces d'un turboréacteur. En effet, par rapport à des alliages métalliques, de tels matériaux présentent une tenue améliorée aux températures et ont une moindre masse. On pourra par exemple se référer au document EP 1,961,923 qui divulgue un procédé de fabrication d'un carter de rétention de soufflante en matériau composite par enroulement en couches superposées d'une texture fibreuse d'épaisseur évolutive sur un mandrin.35 Objet et résumé de l'invention Il est donc souhaitable de pouvoir disposer d'un carter de turbine en matériau composite formé d'une peau et de systèmes d'attache pour le montage des plates-formes extérieures des aubes des distributeurs et des supports de matériau abradable de la turbine. A cet effet, selon l'invention, il est proposé un moule pour la fabrication d'un carter de turbine en matériau composite, le carter de turbine comprenant une peau annulaire et une pluralité de systèmes d'attache fixés sur une face intérieure de la peau et espacés axialement les uns des autres, le moule comprenant une pluralité de couronnes primaires décalées axialement les unes des autres, chaque couronne ayant un rail annulaire faisant saillie vers l'extérieur et dont le profil extérieur correspond au profil intérieur des systèmes d'attache du carter de turbine à fabriquer, et une pluralité de couronnes secondaires destinées à être chacune positionnées axialement entre les rails de deux couronnes primaires adjacentes, les couronnes secondaires ayant un profil extérieur qui correspond au profil intérieur de la peau du carter de turbine à fabriquer. Un tel moule avec ces couronnes primaires et secondaires permet de réaliser une préforme fibreuse de carter de turbine composée d'une pluralité de structures fibreuses destinées à former des préformes de systèmes d'attache et d'une structure fibreuse destinée à former une préforme de peau. Après densification par une matrice d'une telle préforme, on obtient un carter de turbine en matériau composite.
Les couronnes primaires peuvent être indépendantes les unes des autres et mises bout à bout axialement pour former un même moule. Dans ce cas, chaque couronne primaire se compose de préférence d'une pluralité de segments angulaires de couronne primaire qui sont mis bout à bout tangentiellement pour former une même couronne primaire.
Alternativement, les couronnes primaires peuvent former un même ensemble se composant d'une pluralité de segments radiaux de couronne primaire qui sont mis bout à bout tangentiellement. Les rails des couronnes primaires présentent de préférence une section droite de forme trapézoïdale. De préférence également, les couronnes secondaires sont constituées par des vessies de façon à faciliter leur retrait après densification de la préforme.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un carter de turbine en matériau composite au moyen du moule tel que défini précédemment, le procédé comprenant l'enroulement de couches de texture fibreuse sur chacun des rails des couronnes primaires du moule afin d'obtenir des structures fibreuses destinées à former des préformes fibreuses de systèmes d'attache, l'application entre les rails des couronnes primaires des couronnes secondaires, l'enroulement d'autres couches de texture fibreuse sur les couronnes secondaires afin d'obtenir une structure fibreuse destinée à former une préforme fibreuse de peau, la liaison de la structure fibreuse destinée à former une préforme fibreuse de peau aux structures fibreuses destinées à former des préformes fibreuses de systèmes d'attache, et la densification des structures fibreuses ainsi liées par une matrice. La structure fibreuse destinée à former une préforme fibreuse de peau est liée aux structures fibreuses destinées à former des préformes fibreuses de systèmes d'attache par couture ou par aiguilletage. 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 un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 une vue schématique représentant dans son environnement un carter de turbine auquel s'applique l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle d'un moule selon l'invention pouvant être utilisé pour la fabrication du carter de turbine de la figure 1 ; et - les figures 3 à 10 montrent différentes étapes du procédé de fabrication du carter de turbine de la figure 1. Description détaillée de l'invention La figure 1 représente en coupe longitudinale une turbine basse-pression 10 d'un turboréacteur du type à double corps et double flux à laquelle s'applique en particulier l'invention.
La turbine basse-pression 10 représentée sur cette figure se compose de cinq étages de turbine se composant chacun d'un distributeur DBP1 à DBP5 et d'une roue mobile RM1 à RM5 placée derrière le distributeur. Bien entendu, l'invention s'applique également à toutes turbines ayant au moins deux étages de turbine. De façon connue en soi, chaque distributeur DBP1 à DBP5 comprend une pluralité d'aubes fixes, respectivement 1001 à 1005, qui sont disposées dans une veine annulaire 12 d'écoulement du flux gazeux traversant la turbine.
A leur extrémité radiale extérieure, les aubes fixes d'un même étage de distributeur se terminent par une plate-forme extérieure, respectivement 1021 à 1025, destinées à être montées sur un carter de turbine décrit ultérieurement. Ces plates-formes extérieures peuvent être sectorisées.
Chaque roue mobile RM1 à RM5 de la turbine basse-pression 10 comprend un disque, respectivement 2001 à 2005, sur lequel sont montées par leur pied des aubes mobiles 2021 à 2025 également disposées dans la veine 12. Ces aubes mobiles se terminent, au niveau de leur extrémité radiale extérieure, par une plate-forme extérieure 2041 à 2045 munie de léchettes destinées à venir en contact avec un matériau abradable monté sur le carter de turbine par l'intermédiaire de supports annulaires de matériau abradable 4001 à 4005. Ces supports de matériau abradable peuvent être sectorisés.
Les différents étages de turbine sont logés à l'intérieur d'un carter de turbine 300 qui comprend une peau annulaire 302 centrée sur l'axe longitudinal 14 de la turbine de sorte à entourer le sommet des aubes mobiles de la turbine, et une pluralité de systèmes d'attache 304 pour le montage sur le carter de turbine, à la fois des supports de matériau abradable 4001 à 4005 et des plates-formes extérieures 2041 à 2045 des distributeurs de la turbine. Les systèmes d'attache 304 du carter sont ici au nombre de cinq (un par étage de la turbine) et sont décalés axialement les uns des autres sur toute la longueur de la peau du carter. Chaque système d'attache se compose d'une patte amont 306 et d'une patte aval 308 décalée axialement vers l'aval par rapport à la patte amont.
2 9934 90 5 Ces pattes 306, 308 s'étendent depuis la face intérieure de la peau de façon à former des rails annulaires ouverts vers l'amont (pour la patte amont) et vers l'aval (pour la patte aval). Selon l'invention, le carter de turbine 300 avec sa peau 302 et 5 ses systèmes d'attache 304 est réalisé en matériau composite à renfort fibreux densifié par une matrice. Le renfort est en fibres par exemple de carbone, verre, aramide ou céramique et la matrice est en céramique, polymère, par exemple époxide, bismaléimide ou polyimide. Le renfort fibreux est formé par enroulement sur un mandrin 10 d'une texture fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel. Le renfort fibreux constitue une préforme fibreuse tubulaire complète du carter de turbine 300 formant une seule pièce avec une partie de préforme correspondant à la peau 302 du carter de turbine à fabriquer et des parties de préforme correspondant aux systèmes d'attache 304.
15 Pour obtenir la préforme fibreuse de carter de turbine souhaitée, la texture fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel est enroulée en couches superposées sur un moule tel que le moule 500 partiellement représenté sur les figures 2 à 10. Le moule 500 est de forme complémentaire au carter de turbine 20 à fabriquer. Il est notamment de forme axisymétrique par rapport à un axe de révolution 502. De plus, le moule 500 comprend une pluralité de couronnes primaires 504 qui sont décalées axialement les unes des autres. Le nombre de couronnes primaires 504 est égal au moins au nombre de 25 systèmes d'attache du carter de turbine à fabriquer (ici au nombre de cinq). Dans l'exemple de réalisation des figures 2 à 10, les couronnes primaires 504 sont indépendantes les unes des autres et mises bout à bout axialement pour former le moule. De plus, comme représenté sur la 30 figure 2, chaque couronne primaire est sectorisée, c'est-à-dire qu'elle se compose d'une pluralité de segments angulaires de couronne primaire 504a à 504f qui sont mis bout à bout tangentiellement. L'un des segments de couronne primaire, à savoir ici le segment 504a, est le segment qui est assemblé en dernier et qui est retiré en 35 premier du moule lors de l'opération de démoulage de l'ébauche de carter de turbine décrite ultérieurement.
2 9934 90 6 Par ailleurs, chacune des couronnes primaires 504 comporte un rail annulaire 506 centré sur l'axe 502 du moule et faisant saillie vers l'extérieur du moule. Comme illustré sur la figure 3, ce rail présente une section droite de forme sensiblement trapézoïdale avec un profil extérieur 5 qui correspond au profil intérieur des systèmes d'attache du carter de turbine à fabriquer. Selon une première étape du procédé de fabrication représentée par la figure 4, on procède à l'enroulement de couches de texture fibreuse 508 (un à plusieurs tours) sur le rail 506 de la première couronne 10 primaire, c'est-à-dire la couronne primaire correspondant au système d'attache du carter de turbine à fabriquer qui est le plus en amont dans la turbine. On obtient ainsi une structure fibreuse destinée à constituer une préforme fibreuse du système d'attache correspondant. La deuxième couronne primaire 504 correspondant au système 15 d'attache suivant (vers l'aval) est ensuite montée sur la première couronne (figure 5) et y est fixée, par exemple au moyen de fixations de type vis/écrou. Une ou plusieurs couches de texture fibreuse 508 sont alors enroulées sur le rail de cette deuxième couronne primaire pour former une structure fibreuse destinée à constituer une préforme fibreuse du système 20 d'attache correspondant. La troisième couronne primaire 504 correspondant au système d'attache suivant (vers l'aval) est à son tour montée sur la deuxième couronne (figure 6) et il est procédé à l'enroulement de la texture fibreuse de la même manière. Cette opération se répète pour l'ensemble des 25 systèmes d'attache du carter de turbine à fabriquer (ici au nombre de cinq). Bien entendu, il est possible de réaliser ces opérations en sens inverse, c'est-à-dire en partant de la couronne primaire correspondant au système d'attache du carter de turbine à fabriquer qui est le plus en aval 30 dans la turbine pour ensuite revenir vers l'amont. Une fois l'ensemble des couronnes primaires 504 du moule assemblées et les couches de texture fibreuse enroulées sur les rails correspondant, il est procédé à l'assemblage de couronnes secondaires 510 du moule sur ces couronnes primaires.
35 Comme représenté sur la figure 7, ces couronnes secondaires 510 sont chacune positionnées axialement entre les rails 506 de deux 2 9934 90 7 couronnes primaires 504 adjacentes. Les couronnes secondaires 510 présentent un profil extérieur qui correspond au profil intérieur de la peau du carter de turbine à fabriquer. Dans l'exemple de réalisation décrit ici, les couronnes 5 secondaires 510 sont constituées par des vessies gonflables et viennent en partie recouvrir les structures fibreuses destinées à constituer des préformes de systèmes d'attache. Plus précisément, seules les parties des couches fibreuses 508 enroulées sur les bords latéraux des rails 506 sont recouvertes par les couronnes secondaires, la partie des couches 10 enroulées sur le côté extérieur des rails n'étant pas recouverte. Une fois les couronnes secondaires assemblées entre les couronnes primaires du moule, il est procédé à l'enroulement d'autres couches de texture fibreuse 512 sur le moule afin d'obtenir une structure fibreuse destinée à constituer une préforme de peau (figure 8).
15 Les couches de texture fibreuse 512 destinées à constituer une préforme de peau sont ensuite liées aux couches de texture fibreuse 508 destinées à constituer des préformes de systèmes d'attache, et plus précisément à la partie de ces couches qui n'est pas recouverte par les couronnes secondaires 510. Comme schématisé par les flèches F sur la 20 figure 9, une telle liaison peut se faire par exemple par couture ou par aiguilletage. La préforme fibreuse obtenue après enroulement de la structure fibreuse destinée à constituer une préforme de peau et sa liaison aux structures fibreuses destinées à constituer des préformes de systèmes 25 d'attache est ensuite maintenue sur le moule et une imprégnation est réalisée par une résine. Le maintien de la préforme fibreuse sur le moule est par exemple obtenu en appliquant sur celle-ci un contre-moule ou une enveloppe souple de type vessie (non représentés sur les figures). Après 30 imprégnation, une étape de polymérisation de la résine est réalisée et la pièce obtenue est démoulée. On obtient ainsi directement une ébauche permettant d'obtenir le carter de turbine souhaité (après éventuel usinage de finition). Le démoulage de la pièce est schématiquement représenté sur 35 la figure 10. Le contre-moule ou l'enveloppe souple appliquée sur la préforme fibreuse est d'abord retiré(e). Les couronnes primaires 504 sont 2 9934 90 8 ensuite successivement retirées du moule par l'intérieur de celui-ci, en procédant en premier lieu par le retrait du premier segment de couronne primaire 504a de ces couronnes primaires. Une fois les couronnes primaires retirées du moule, il est 5 possible de procéder au retrait des couronnes secondaires 510, par exemple en les dégonflant lorsqu'il s'agit de vessies gonflables comme représenté sur la figure 10, et d'achever ainsi le démoulage de la pièce. Dans l'exemple de réalisation décrit en liaison avec les figures 2 à 10, les couronnes primaires sont indépendantes les unes des autres et 10 sectorisées pour procéder au démoulage de la pièce. Alternativement, toutes les couronnes primaires pourraient former un même ensemble monobloc (dans le sens axial) et se composer d'une pluralité de segments radiaux de couronne primaire qui seraient alors mis bout à bout tangentiellement. Cet assemblage alternatif présente l'avantage de faciliter 15 le positionnement axial des couronnes primaires les unes par rapport aux autres mais entraîne des couronnes beaucoup plus volumineuses et donc difficiles à manipuler.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Moule (500) pour la fabrication d'un carter de turbine en matériau composite, le carter de turbine (300) comprenant une peau annulaire (302) et une pluralité de systèmes d'attache (304) fixés sur une face intérieure de la peau et espacés axialement les uns des autres, le moule comprenant : une pluralité de couronnes primaires (504) décalées axialement les unes des autres, chaque couronne ayant un rail annulaire (506) faisant saillie vers l'extérieur et dont le profil extérieur correspond au profil intérieur des systèmes d'attache du carter de turbine à fabriquer ; et une pluralité de couronnes secondaires (510) destinées à être chacune positionnées axialement entre les rails de deux couronnes primaires adjacentes, les couronnes secondaires ayant un profil extérieur qui correspond au profil intérieur de la peau du carter de turbine à fabriquer.
  2. 2. Moule selon la revendication 1, dans lequel les couronnes primaires (504) sont indépendantes les unes des autres et mises bout à 20 bout axialement pour former un même moule.
  3. 3. Moule selon la revendication 2, dans lequel chaque couronne primaire (504) se compose d'une pluralité de segments angulaires de couronne primaire (504a-f) qui sont mis bout à bout tangentiellement 25 pour former une même couronne primaire.
  4. 4. Moule selon la revendication 1, les couronnes primaires forment un même ensemble se composant d'une pluralité de segments radiaux de couronne primaire qui sont mis bout à bout tangentiellement. 30
  5. 5. Moule selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les rails (506) des couronnes primaires présentent une section droite de forme trapézoïdale.
  6. 6. Moule selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les couronnes secondaires (510) sont constituées par des vessies gonflables.
  7. 7. Procédé de fabrication d'un carter de turbine en matériau composite au moyen du moule (500) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, le procédé comprenant : l'enroulement de couches de texture fibreuse (508) sur chacun des rails (506) des couronnes primaires (504) du moule afin d'obtenir des 10 structures fibreuses destinées à former des préformes fibreuses de systèmes d'attache ; l'application entre les rails des couronnes primaires des couronnes secondaires (510) du moule ; l'enroulement d'autres couches de texture fibreuse (512) sur les 15 couronnes secondaires afin d'obtenir une structure fibreuse destinée à former une préforme fibreuse de peau ; la liaison de la structure fibreuse destinée à former une préforme fibreuse de peau aux structures fibreuses destinées à former des préformes fibreuses de systèmes d'attache ; et 20 la densification des structures fibreuses ainsi liées par une matrice.
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la structure fibreuse destinée à former une préforme fibreuse de peau est liée aux 25 structures fibreuses destinées à former des préformes fibreuses de systèmes d'attache par couture ou par aiguilletage.
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