FR2995344A1 - Procede de fabrication d'un carter d'echappement en materiau composite pour moteur a turbine a gaz et carter d'echappement ainsi obtenu - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un carter d'échappement (10) en matériau composite pour moteur à turbine à gaz, le procédé comprenant la réalisation d'une virole externe (100) comprenant une plateforme (104) et une bride (106), la réalisation d'une virole interne (200) de diamètre inférieur à la virole externe et comprenant une plateforme (202) et une bride, la réalisation d'une pluralité de bras de carter (300) comprenant chacun une pale (302) se terminant à chaque extrémité radiale par une plateforme, l'aménagement dans la plateforme respective des viroles d'une pluralité d'ouvertures destinées chacune à recevoir une plateforme d'un bras de carter, et l'assemblage des bras de carter sur la virole externe et sur la virole interne en insérant les plateformes des bras de carter dans les ouvertures des viroles. L'invention a également pour objet un carter d'échappement en matériau composite obtenu par un tel procédé.
Description
Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne les carters d'échappement équipant les moteurs aéronautiques à turbine à gaz, et notamment les turboréacteurs ou turbopropulseurs. Dans un moteur aéronautique à turbine à gaz, le carter d'échappement remplit plusieurs fonctions. Il assure une fonction structurale en accueillant une suspension arrière pour permettre la fixation du moteur sur le fuselage de l'aéronef. Il assure également une fonction aérodynamique en permettant de guider le flux primaire issu du moteur. Enfin, il assure encore une fonction de passage de servitudes pour permettre l'alimentation en air et en huile de différents composants du moteur. De façon courante, un carter d'échappement est formé d'une virole interne montée autour d'un support de palier, d'une virole externe de diamètre supérieur à la virole interne et disposée autour de celle-ci en lui étant coaxiale, et d'une pluralité de bras de carter qui s'étendent radialennent entre ces viroles et qui sont fixés à leurs extrémités radiales sur celles-ci. La virole externe est destinée à accueillir la suspension arrière par l'intermédiaire de ferrures en forme de chapes. Les bras de carter reliant les viroles entre elles servent notamment à guider le flux primaire issu du moteur. De plus, certains de ces bras de carter sont creux pour être traversés par des conduits dans lesquels circule de l'air ou de l'huile destiné à des composants du moteur. Le carter d'échappement d'un moteur à turbine à gaz présente l'inconvénient principal d'être une pièce relativement lourde, car 30 métallique, ce qui est particulièrement pénalisant en termes de consommation de carburant de l'aéronef. Objet et résumé de l'invention Il existe donc un besoin de pouvoir disposer d'un procédé de 35 fabrication d'un carter d'échappement pour moteur à turbine à gaz qui permette d'obtenir un carter d'échappement allégé par rapport à une structure métallique. Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un procédé de fabrication d'un carter d'échappement en matériau composite pour moteur à turbine à gaz, le procédé comprenant : - la réalisation d'une virole externe en matériau composite comprenant une plateforme annulaire destinée à délimiter à l'extérieur la veine d'écoulement du flux gazeux traversant le carter d'échappement et une bride annulaire destinée à permettre la fixation en amont du carter d'échappement sur un carter de turbine du moteur ; - la réalisation d'une virole interne en matériau composite de diamètre inférieur à la virole externe, la virole interne comprenant une plateforme annulaire destinée à délimiter à l'intérieur la veine d'écoulement du flux gazeux traversant le carter d'échappement et une bride annulaire ; - la réalisation d'une pluralité de bras de carter en matériau composite comprenant chacun une pale se terminant à chaque extrémité radiale par une plateforme ; - l'aménagement dans la plateforme respective des viroles d'une pluralité d'ouvertures destinées chacune à recevoir une plateforme d'un bras de carter ; et - l'assemblage des bras de carter sur la virole extérieure et sur la virole intérieure en insérant les plateformes des bras de carter dans les ouvertures des viroles.
Un tel procédé permet d'obtenir un carter d'échappement en matériau composite dont la masse est considérablement allégée par rapport à un carter métallique (le rapport volumique entre un matériau composite tel que le CMC - composite à matrice céramique - et un alliage métallique est d'environ 4). De plus, le procédé selon l'invention prévoit un assemblage simplifié car ne comprenant que trois sous-ensembles indépendants, à savoir un sous-ensemble pour la virole externe, un sous-ensemble pour la virole interne et un sous-ensemble constitué des bras de carter. De préférence, les viroles sont chacune réalisées à partir d'une préforme fibreuse obtenue par enroulement d'une texture fibreuse en plusieurs couches superposées sur un mandrin, la préforme fibreuse étant densifiée par une matrice. De préférence également, chaque bras de carter est réalisé à partir d'une ébauche fibreuse obtenue par tissage tridimensionnel en ménageant deux zones de déliaisons dans l'épaisseur de l'ébauche fibreuse à chaque extrémité de celle-ci, l'ébauche fibreuse étant mise en forme en rabattant les parties déliées pour former une préforme fibreuse avec une partie de préforme correspondant à la pale du bras de carter en une seule pièce avec deux parties de préforme correspondant chacune à une plateforme du bras de carter, la préforme fibreuse ainsi obtenue étant densifiée par une matrice. Dans ce cas, une zone de raccordement entre les parties déliées et les parties liées de l'ébauche fibreuse peut être comblée par un feutre de fibres céramiques préalablement à la densification de la préforme 15 fibreuse. Les bras de carter peuvent être maintenus assemblés sur la virole externe et sur la virole interne par brasage, co-densification ou liaison mécanique de leurs plateformes respectives dans les ouvertures des viroles. 20 De préférence encore, les bras de carter sont d'abord assemblés sur l'une des viroles en insérant radialennent leurs plateformes respectives dans les ouvertures de la virole, puis l'autre virole est assemblée sur ce pré-assemblage ainsi obtenu en faisant coulisser les plateformes opposées des bras de carter dans les ouvertures correspondantes de cette autre 25 virole. L'invention vise aussi un carter d'échappement en matériau composite pour moteur à turbine à gaz, comprenant une virole externe comportant une plateforme annulaire destinée à délimiter à l'extérieur la veine d'écoulement du flux gazeux traversant le carter d'échappement et 30 une bride annulaire destinée à permettre la fixation en amont du carter d'échappement sur un carter de turbine du moteur, une virole interne de diamètre inférieur à la virole externe et comportant une plateforme annulaire destinée à délimiter à l'intérieur la veine d'écoulement du flux gazeux traversant le carter d'échappement et une bride annulaire, et une 35 pluralité de bras de carter comportant chacun une pale se terminant à chaque extrémité radiale par une plateforme, les plateformes des bras de carter étant assemblées sur plateformes respectives des viroles. De préférence, les plateformes des viroles comportent chacune une pluralité d'ouvertures dans lesquelles sont insérées les plateformes des bras de carter. Les ouvertures d'au moins l'une des viroles peuvent être débouchantes à une extrémité axiale de la plateforme correspondante. La bride de la virole externe peut comprendre un épaulement amont pour la fixation en amont du carter d'échappement sur le carter de turbine et un épaulement aval pour la fixation en aval du carter d'échappement sur une tuyère du moteur. Alternativement, la bride de la virole externe peut s'étendre axialement vers l'aval au-delà d'un bord de fuite des bras de carter pour former la tuyère du moteur. De même, la bride de la virole interne peut comprendre un épaulement amont pour la fixation en amont du carter d'échappement sur un capot de fermeture et un épaulement aval pour la fixation en aval du carter d'échappement sur un corps central du moteur. Alternativement, la bride de la virole interne peut s'étendre axialement vers l'aval au-delà d'un bord de fuite des bras de carter pour former un corps central du moteur.
La pale d'au moins l'un des bras de carter peut être creuse pour y faire passer des servitudes du moteur, tels que des conduits d'alimentation en air et en huile de différents composants de celui-ci. De préférence, les viroles et les bras de carter sont en matériau composite à matrice céramique.
L'invention vise encore un moteur aéronautique à turbine à gaz comprenant un carter d'échappement tel que défini précédemment. 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 est une vue schématique et en perspective d'un carter d'échappement de moteur aéronautique à turbine à gaz ; - la figure 2 est une vue en coupe radiale de la figure 1; - les figures 3 à 6 illustrent différentes étapes de fabrication d'un carter d'échappement conformément à l'invention ; et - la figure 7 est une vue en coupe radiale d'un carter d'échappement selon une variante de réalisation de l'invention.
Description détaillée de l'invention L'invention sera décrite ci-après dans le cadre de son application à la fabrication d'un carter d'échappement de turboréacteur non structural.
Un tel carter d'échappement 10 est illustré de façon schématique sur la figure 1. De façon connue, il comprend notamment une virole externe axisymétrique 100 centrée sur un axe longitudinal X-X du turboréacteur, une virole interne axisymétrique 200 de diamètre inférieur à la virole externe et disposée de façon coaxiale à l'intérieur de celle-ci, et une pluralité de bras de carter 300 reliant radialement les viroles 100, 200 entre elles. Pour la suite de la description, on définira l'intérieur et l'extérieur par rapport à l'axe longitudinal X-X du turboréacteur. Comme représenté plus précisément sur la figure 2, la virole externe 100 comprend une plateforme annulaire 104 située du côté intérieur qui est notamment destinée à délimiter à l'extérieur la veine 12 d'écoulement du flux gazeux traversant le carter d'échappement. Du côté extérieur, la virole externe comprend une bride annulaire 106, cette bride ayant un épaulement amont 108 pour assurer une fixation en amont du carter d'échappement sur un carter de turbine du moteur (non représenté), et un épaulement aval 110 destiné à assurer une fixation en aval du carter d'échappement sur une tuyère du moteur (non représentée). La virole interne 200 comprend une plateforme annulaire 202 située du côté extérieur qui est notamment destinée à délimiter à l'intérieur la veine 12 d'écoulement du flux gazeux traversant le carter d'échappement. Du côté intérieur, la virole interne comprend une bride annulaire 204, cette bride ayant un épaulement amont 206 pour la fixation en amont du carter d'échappement sur un capot de fermeture des enceintes de la turbine basse-pression du turboréacteur et un épaulement aval 208 pour la fixation en aval du carter d'échappement sur un corps central (ou « plug » en anglais) du moteur. Dans le cas où la virole interne est montée autour d'un support de palier de turbine basse-pression, l'épaulement amont de sa bride annulaire peut être destiné à être relié audit palier.
Les viroles externe 100 et interne 200 sont réalisées en matériau composite, de préférence en matériau composite à matrice céramique (CMC). A cet effet, les viroles peuvent être chacune réalisées à partir d'une préforme fibreuse obtenue soit par enroulement d'une texture fibreuse en plusieurs couches superposées sur un mandrin, soit par bobinage de fibres, la préforme fibreuse ainsi obtenue étant par la suite densifiée par une matrice. De préférence, la plateforme et la bride respectives des viroles sont réalisées à partir d'une seule et même pièce. Par exemple, la plateforme et la bride des viroles peuvent être obtenues à partir d'une même préforme fibreuse (en créant une déliaison dans l'épaisseur de celle à chacune de ses extrémités axiales pour obtenir une préforme avec une partie de préforme correspondant à la plateforme en une seule pièce avec une partie de préforme correspondant à la bride). Alternativement, la plateforme et la bride des viroles sont réalisées à partir de deux préformes fibreuses différentes qui sont bobinées sur un même mandrin et éventuellement aiguilleter pour les lier. Les bras de carter 300 sont régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal X-X du turboréacteur et sont par exemple au nombre de 16. Ils comportent chacun une pale 302 (pouvant être pleine ou creuse lorsqu'il est nécessaire d'y faire passer des conduits de circulation d'air ou d'huile) qui termine à chaque extrémité radiale par une plateforme 304 (voir figure 3). Les bras de carter 300 sont également réalisées en matériau composite, de préférence en CMC. A cet effet, chaque bras de carter peut être réalisé à partir d'une ébauche fibreuse obtenue par tissage tridimensionnel en ménageant deux zones de déliaisons dans l'épaisseur de l'ébauche fibreuse à chaque extrémité de celle-ci. L'ébauche fibreuse est alors mise en forme en rabattant ses parties déliées pour former une préforme fibreuse avec une partie de préforme correspondant à la pale du bras de carter en une seule pièce avec deux parties de préforme correspondant chacune à une plateforme du bras de carter. La préforme fibreuse ainsi obtenue est par la suite densifiée par une matrice. On notera que la zone de raccordement entre les parties déliées et les parties liées de l'ébauche fibreuse à partir de laquelle sont réalisées les bras de carter peut être comblée par un feutre 306, par exemple en fibres céramiques de type SIC, préalablement à la densification de la préforme fibreuse. Pour la réalisation des bras de carter à pale pleine, on pourra par exemple s'inspirer du contenu de la demande de brevet français n° 11 59668 déposée le 25 novembre 2011 conjointement par les sociétés Snecma et Herakles qui décrit la réalisation d'aubes mono-pales de distributeur de turbine ou de redresseur de compresseur en matériau composite. De même, dans le cas de la réalisation de bras de carter à pale creuse, on pourra se référer à la demande de brevet français n° 11 03661 déposée le 1er décembre 2011 conjointement par les sociétés Snecma et Herakles qui décrit la réalisation d'aubes de turbine à pale creuse en matériau composite. Le contenu de ces demandes est incorporé ici par voie de référence. Les bras de carter 300 ainsi réalisés sont assemblées sur les 20 viroles 100, 200 pour former un carter d'échappement comme décrit ci-après. Comme représenté sur la figure 4, des ouvertures 112 sont aménagées dans la plateforme 104 de la virole externe 100. Ces ouvertures 112 sont destinées chacune à recevoir la plateforme 304 d'un 25 bras de carter 300. De manière similaire, des ouvertures 210 sont aussi pratiquées dans la plateforme 204 de la virole interne 200 pour recevoir les plateformes opposées des bras de carter (voir figure 6). Ces ouvertures 112, 210 sont de forme complémentaire aux 30 plateformes 304 des bras de carter qu'elles sont destinées à recevoir et ont une profondeur correspondant sensiblement à l'épaisseur de ces plateformes. Par ailleurs, elles peuvent être réalisées par usinage de la plateforme correspondante après densification de celle-ci. Une fois les ouvertures 112, 210 usinées dans les plateformes 35 des viroles, les bras de carter 300 sont assemblés sur ces dernières. Dans l'exemple illustré, les bras de carter sont d'abord assemblés sur la virole externe 100 en insérant radialement leurs plateformes 304 respectives dans les ouvertures 112 de la virole externe (figure 5). Les bras de carter sont maintenus dans cette position puis la virole interne 200 est montée sur ce pré-assemblage en faisant coulisser les plateformes opposées des bras de carter dans les ouvertures 210 correspondantes de cette virole interne (figure 6). Les bras de carter sont alors maintenus assemblés sur les deux viroles par brasage, co-densification ou liaison mécanique (de type vis à tête fraisée) de leurs plateformes respectives dans les ouvertures des viroles.
On notera qu'un tel assemblage des bras de carter nécessite que les ouvertures 210 de la virole interne 200 soient débouchantes à une extrémité axiale de la plateforme correspondante (à savoir ici l'extrémité aval) Bien entendu, il est possible d'envisager un montage inverse des bras de carter sur les viroles du carter d'échappement en procédant d'abord à l'assemblage des bras de carter sur la virole interne avant de procéder à l'assemblage de la virole externe. Dans ce cas, ce sont les ouvertures de la virole externe qui doivent être débouchantes à une extrémité axiale de la plateforme correspondante.
On obtient ainsi un carter d'échappement 10 réalisé en matériau composite tel que celui représenté sur la figure 1. Selon une variante de réalisation de l'invention représentée sur la figure 7, le carter d'échappement 10' réalisé en matériau composite peut présenter des aménagements de forme au niveau des brides respectives de ses viroles. En particulier, dans cette variante de réalisation, la bride 106' de la virole externe 100' s'étend axialement vers l'aval au-delà d'un bord de fuite 308 des bras de carter 300 pour former la tuyère du moteur. De même, la bride 204' de la virole interne 200' s'étend axialement vers l'aval au-delà du bord de fuite 308 des bras de carter 300 pour former le corps central du moteur. La réalisation de ces brides est par ailleurs similaire à la réalisation des brides des viroles du carter d'échappement précédemment décrit. De la sorte, les brides respectives des viroles permettent de reconstituer le profil de la tuyère et du plug du moteur. Il en résulte un gain de masse important en s'affranchissant de la présence d'épaulements et de boulons pour la fixation de ces éléments du moteur sur le carter d'échappement. Il en résulte également un gain de temps pour la production puisque ces trois éléments du moteur (carter d'échappement, tuyère et plug) sont réalisés en une seule et même pièce.5
Claims (16)
- REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un carter d'échappement (10 ; 10') en matériau composite pour moteur à turbine à gaz, le procédé 5 comprenant : - la réalisation d'une virole externe (100) en matériau composite comprenant une plateforme annulaire (104) destinée à délimiter à l'extérieur la veine d'écoulement du flux gazeux traversant le carter d'échappement et une bride annulaire (106) destinée à permettre la 10 fixation en amont du carter d'échappement sur un carter de turbine du moteur ; - la réalisation d'une virole interne (200) en matériau composite de diamètre inférieur à la virole externe, la virole interne comprenant une plateforme annulaire (202) destinée à délimiter à l'intérieur la veine 15 d'écoulement du flux gazeux traversant le carter d'échappement et une bride annulaire (204) ; - la réalisation d'une pluralité de bras de carter (300) en matériau composite comprenant chacun une pale (302) se terminant à chaque extrémité radiale par une plateforme (304) ; 20 - l'aménagement dans la plateforme respective des viroles d'une pluralité d'ouvertures (112, 210) destinées chacune à recevoir une plateforme d'un bras de carter ; et - l'assemblage des bras de carter sur la virole externe et sur la virole interne en insérant les plateformes des bras de carter dans les 25 ouvertures des viroles.
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les viroles sont chacune réalisées à partir d'une préforme fibreuse obtenue par enroulement d'une texture fibreuse en plusieurs couches superposées sur 30 un mandrin, la préforme fibreuse étant densifiée par une matrice.
- 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel chaque bras de carter est réalisé à partir d'une ébauche fibreuse obtenue par tissage tridimensionnel en ménageant deux zones de déliaisons dans 35 l'épaisseur de l'ébauche fibreuse à chaque extrémité de celle-ci, l'ébauche fibreuse étant mise en forme en rabattant les parties déliées pour formerune préforme fibreuse avec une partie de préforme correspondant à la pale du bras de carter en une seule pièce avec deux parties de préforme correspondant chacune à une plateforme du bras de carter, la préforme fibreuse ainsi obtenue étant densifiée par une matrice.
- 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel une zone de raccordement entre les parties déliées et les parties liées de l'ébauche fibreuse est comblée par un feutre de fibres céramiques (306) préalablement à la densification de la préforme fibreuse.
- 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les bras de carter sont maintenus assemblés sur la virole externe et sur la virole interne par brasage, co-densification ou liaison mécanique de leurs plateformes respectives dans les ouvertures des viroles.
- 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les bras de carter sont d'abord assemblés sur l'une des viroles en insérant radialement leurs plateformes respectives dans les ouvertures de la virole, puis l'autre virole est assemblée sur ce pré-assemblage ainsi obtenu en faisant coulisser les plateformes opposées des bras de carter dans les ouvertures correspondantes de cette autre virole.
- 7. Carter d'échappement (10; 10') en matériau composite pour moteur à turbine à gaz, comprenant : une virole externe (100) comportant une plateforme annulaire (104) destinée à délimiter à l'extérieur la veine d'écoulement du flux gazeux traversant le carter d'échappement et une bride annulaire (106) destinée à permettre la fixation en amont du carter d'échappement sur un carter de turbine du moteur ; une virole interne (200) de diamètre inférieur à la virole externe et comportant une plateforme annulaire (202) destinée à délimiter à l'intérieur la veine d'écoulement du flux gazeux traversant le carter d'échappement et une bride annulaire (204) ; et une pluralité de bras de carter (300) comportant chacun une pale (302) se terminant à chaque extrémité radiale par une plateforme(304), les plateformes des bras de carter étant assemblées sur les plateformes respectives des viroles.
- 8. Carter d'échappement selon la revendication 7, dans lequel les plateformes des viroles comportent chacune une pluralité d'ouvertures (112, 210) dans lesquelles sont insérées les plateformes des bras de carter.
- 9. Carter d'échappement selon la revendication 8, dans lequel les ouvertures d'au moins l'une des viroles sont débouchantes à une extrémité axiale de la plateforme correspondante.
- 10. Carter d'échappement (10) selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel la bride (106) de la virole externe (100) comprend un épaulement amont (108) pour la fixation en amont du carter d'échappement sur le carter de turbine et un épaulement aval (110) pour la fixation en aval du carter d'échappement sur une tuyère du moteur.
- 11. Carter d'échappement (10') selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel la bride (106') de la virole externe (100') s'étend axialement vers l'aval au-delà d'un bord de fuite (308) des bras de carter (300) pour former la tuyère du moteur.
- 12. Carter d'échappement (10) selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, dans lequel la bride (204) de la virole interne (200) comprend un épaulement amont (206) pour la fixation en amont du carter d'échappement sur un capot de fermeture et un épaulement aval (208) pour la fixation en aval du carter d'échappement sur un corps central du moteur.
- 13. Carter d'échappement (10') selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, dans lequel la bride (204') de la virole interne (200') s'étend axialement vers l'aval au-delà d'un bord de fuite des bras de carter pour former un corps central du moteur.35
- 14. Carter d'échappement selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, dans lequel la pale d'au moins l'un des bras de carter est creuse.
- 15. Carter d'échappement selon l'une quelconque des revendications 7 à 14, dans lequel les viroles et les bras de carter sont en matériau composite à matrice céramique.
- 16. Moteur aéronautique à turbine à gaz comprenant un carter d'échappement (10 ; 10') selon l'une quelconque des revendications 7 à 15.
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