FR3005990A1 - Procede de raidissement d'un composant d'une turbine a turbomachine - Google Patents

Abstract

Pour réduire les risques d'endommagement d'un composant (22) d'une turbine de turbomachine, on enroule un ensemble de fibres (24) autour d'une portion annulaire (22A, 22B) de ce composant, et on solidarise l'ensemble de fibres avec le composant à l'aide d'une résine que l'on polymérise.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne un procédé pour réduire les risques d'endommagement d'un composant d'une turbomachine, en particulier un composant de turbine ou, dans le cas d'une turbopompe, un composant 5 de pompe. Les composants de turbomachines, en particulier celles qui sont utilisées dans les domaines aéronautique et spatial, peuvent subir des sollicitations très importantes. Il s'agit de sollicitations statiques liées aux charges élevées, c'est-à-dire aux efforts importants exercés sur les 10 composants, et également de sollicitations dynamiques, liées aux variations de ces charges. Ces sollicitations peuvent conduire à un endommagement des composants concernés, par exemple par apparition de fissures par fatigue ou par propagation de fissures préexistantes. 15 Lorsque de tels phénomènes sont constatés, des études lourdes doivent généralement être menées, conduisant à un redimensionnement des composants concernés. Toutefois, dans une turbomachine, les différents composants interagissent les uns avec les autres. Ainsi, malgré tout le soin apporté aux simulations, il n'est pas toujours possible de 20 garantir avec certitude que les redimensionnements de composants se comporteront expérimentalement strictement comme prévu. Ceci peut grandement pénaliser les coûts de re-conception et de développement, ainsi que les durées associées. En effet, la réalisation, dans le matériau ad-hoc, d'un composant redimensionné, est en soi coûteuse et longue. De 25 plus, il est fréquent que plusieurs composants doivent être ainsi modifiés les uns après les autres pour parvenir à la fiabilité souhaitée. Ceci est particulièrement coûteux, sachant que les composants des turbomachines utilisés dans les domaines aéronautique et spatial sont souvent réalisés dans des matériaux coûteux, en particulier des alliages à base de nickel. 30 Objet et résumé de l'invention La présente invention vise à proposer un procédé permettant de réduire les risques d'endommagement d'un composant d'une turbine de turbomachine, par initiation de fissures par fatigue et/ou par propagation 35 de fissures préexistantes, qui soit aisé à mettre en oeuvre, pour un coût relativement modique et de courts délais de mise en oeuvre.

Ce but est atteint grâce au fait que, le composant ayant une portion annulaire, on enroule un ensemble de fibres ayant au moins une fibre autour de la portion annulaire et on solidarise l'ensemble de fibres avec le composant à l'aide d'une résine que l'on polymérise.

Comme indiqué ci-dessus, l'invention s'intéresse en particulier à un composant ayant une portion annulaire. Les inventeurs ont constaté qu'en enroulant un ensemble de fibres autour de cette portion annulaire et en procédant à une polymérisation d'une résine qui imprègne l'ensemble de fibres, on parvient à raidir la portion annulaire du composant, de manière à modifier les fréquences propres de l'ensemble du composant, en obtenant des fréquences propres plus élevées. De cette manière, le composant dans son ensemble devient beaucoup moins sensible aux sollicitations dynamiques car ses fréquences propres, pour lesquelles des phénomènes de résonance pourraient se produire, sont plus élevées que celles de sa sollicitation. Le procédé proposé par l'invention est très aisé à mettre en oeuvre. Par exemple, si un composant soumis à des essais révèle des problèmes de fissuration, il devient possible d'envisager de continuer les essais avec ce composant, mais après l'avoir raidi, en mettant en oeuvre le procédé de l'invention, pour qualifier les autres composants de la turbomachine. On peut également remplacer le composant fissuré par un autre composant identique, que l'on raidit à l'aide du procédé de l'invention, afin d'éviter qu'il ne présente le problème de fissuration redouté. Ceci permet, avant de procéder à une re-conception du composant visant à le raidir, de valider l'efficacité d'un tel raidissement à partir de tests réalisés sur le composant raidi sans re-conception, grâce à l'application de l'invention. Le procédé de l'invention peut ainsi être mis en oeuvre sur des pièces de prototype soumises à des essais, avant la redéfinition géométrique de ces pièces. Il peut également être mis en oeuvre sur des pièces déjà opérationnelles, mais pour les renforcer en leur conférant de meilleures marges de sécurité. Avantageusement, on enroule l'ensemble de fibres autour de la portion annulaire en tendant ladite au moins une fibre autour de ladite portion.

La mise en tension peut être d'une amplitude variable en fonction des circonstances. Par exemple, la ou les fibres sont soumises, avant polymérisation de la résine, à une tension adaptée en fonction du degré de raidissement souhaité. L'invention étant particulièrement simple à mettre en oeuvre, l'homme du métier peut aisément procéder à des essais empiriques.

Avantageusement, l'ensemble de fibres comprend au moins une fibre allongée, dont la longueur est supérieure à la circonférence de la portion annulaire, et on enroule l'ensemble de fibres autour de ladite portion annulaire de telle sorte que la direction de la longueur de ladite au moins une fibre soit orientée sensiblement dans la direction circonférentielle de la portion annulaire. On peut utiliser une seule fibre de grande longueur, que l'on enroule autour de la portion annulaire de manière à recouvrir la surface souhaitée de cette portion. Si nécessaire, on peut enrouler la fibre sur plusieurs épaisseurs.

Lorsque l'ensemble de fibres comprend plusieurs fibres allongées, on peut choisir, pour enrouler l'ensemble de fibres autour de la portion annulaire du composant, d'enrouler successivement les fibres allongées autour de ladite portion annulaire. On peut enrouler successivement des fibres individuelles, ou des fibres déjà constituées par groupes de fibres. On peut ainsi couvrir en plusieurs fois une surface souhaitée de la portion annulaire, ou bien former plusieurs épaisseurs de fibres. Il est à noter que la fibre ou le groupe de fibres enroulé après une première fibre ou un premier groupe de fibres peut contribuer au maintien de cette fibre de ce premier groupe de fibre avant la polymérisation de la résine. Il est également possible que l'ensemble de fibres comprenne un tissu de fibres ou une nappe de fibres que l'on enroule comme un tout autour de ladite portion annulaire. Dans ce cas, ce tissu ou cette nappe de fibres est manipulée comme un tout et peut être aisément mis en place autour de la portion annulaire du composant devant être raidie. Lorsque l'on utilise un tissu de fibres, celui-ci peut être tendu relativement fortement avant l'étape de polymérisation de la résine. Il est intéressant de faire en sorte que le tissu ait une orientation privilégiée par rapport à la direction circonférentielle de la portion annulaire. En particulier, on peut choisir que ce soient les fibres formant la trame du tissu qui soient orientées selon la direction circonférentielle. Selon une possibilité, on imprègne l'ensemble de fibres avec de la résine, on enroule l'ensemble de fibres imprégné de résine autour de la portion annulaire, et on polymérise la résine. Ainsi, l'ensemble imprégné de résine est mis en place autour de la portion annulaire comme un tout. Le fait que l'ensemble de fibres soit imprégné de résine préalablement à sa mise en place autour de la portion annulaire du composant à raidir, permet de s'assurer que l'imprégnation soit homogène et suffisante. Eventuellement, avant de polymériser la résine, on maintient l'ensemble de fibres enroulé autour de la portion annulaire à l'aide de moyens de maintien. Par exemple, ces moyens de maintien peuvent être un cerclage temporaire. Il peut également s'agir de moyens de maintien dont l'efficacité est suffisante pour assurer un maintien temporaire même si, dans le temps, cette efficacité diminue. Par exemple, on peut utiliser une colle qui pourra se dégrader lors de la polymérisation de la résine, cette dégradation souhaitée pouvant être provoquée par la température de polymérisation et/ou par une réaction chimique avec la résine. Dans ce dernier cas, en particulier si l'ensemble de fibres est pré-imprégné de résine, il est intéressant que la réaction chimique ne soit pas instantanée. Avantageusement, on choisit ladite au moins une fibre de telle sorte qu'elle ait un coefficient de dilatation thermique déterminé par rapport à celui de la portion annulaire du composant. Par exemple, ladite au moins une fibre est choisie parmi des fibres de verre et/ou des fibres de carbone. Selon les cas, en particulier selon l'évolution des températures auxquelles est soumis en fonctionnement le composant que l'on souhaite raidir, on peut choisir que le coefficient de dilatation thermique de la ou des fibres soit inférieur à celui de la portion annulaire du composant, ou bien voisin, voire légèrement supérieur. Par exemple, pour un composant dont la température s'élève en fonctionnement, le fait de choisir une ou des fibres ayant un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui de ce composant permet, lorsque la température s'élève, d'augmenter l'effet de raidissement procuré par l'ensemble de fibres. En effet, du fait de la différence de coefficient de dilatation thermique, la portion annulaire du composant a tendance à davantage se dilater que les fibres sous l'effet de l'élévation de température. Ainsi, même avec une mise en tension de départ relativement faible de l'ensemble de fibres autour de la portion annulaire, ou sans mise en tension particulière, on obtient l'effet de raidissement dans les conditions souhaitées. Brève description des dessins L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue partielle en coupe axiale montrant une partie d'une turbine à laquelle le procédé de l'invention peut être appliqué ; - la figure 2 est une vue partielle schématique de la zone II de la figure 1, sur laquelle l'invention est appliquée ; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2, sur laquelle l'invention est appliquée selon une variante de réalisation ; et - la figure 4 est une vue partielle schématique prise en coupe dans le plan IV-IV de la figure 2. Description détaillée de l'invention La figure 1 montre une partie d'une turbomachine, par exemple une turbopompe. En particulier, cette turbomachine comprend une turbine 10 logée dans un carter 12. Sur la figure, deux roues mobiles de la turbine sont représentées. Les aubes 14 de la première roue mobile sont fixées à un premier disque 15, tandis que les aubes 16 de la deuxième roue mobile sont fixées à un deuxième disque 17. Les moyeux 15A et 17A des disques précités coopèrent avec l'arbre 18 de la turbine pour entraîner ce dernier en rotation sous l'effet de la rotation des roues mobiles. Entre les roues mobiles précitées, se trouve un distributeur, dont les pales 20 sont fixées à un anneau extérieur 22 et à une virole intérieure 21 disposée entre les disques 15 et 17. Comme le sait l'homme du métier, la turbine de turbomachine comprend une succession de tels agencements, en ayant des alternances de roues mobiles et de distributeurs. En l'espèce, s'agissant d'une turbopompe, l'anneau extérieur 22 est raccordé à un carter intermédiaire 24 Dans l'exemple représenté, on s'intéresse en particulier à l'anneau extérieur 22, comme étant la "portion annulaire" du composant que l'on souhaite raidir à l'aide du procédé de la présente invention, ce composant étant alors le distributeur précité. Tout d'abord, dans l'exemple considéré, on constate que l'anneau extérieur 22 présente différentes portions. Il s'agit en l'espèce d'une partie centrale 22A, située radialement au-dessus des pales 20, et d'une aile 22B qui prolonge la partie centrale au-dessus des aubes 16.. Par exemple, les différentes pièces de la roue mobile, en particulier l'aube 20, la virole intérieure 21 et l'anneau extérieur 22 sont formés en un alliage métallique supportant de forts gradients de température.

Dans l'exemple décrit, on cherche à raidir la portion annulaire formée par l'anneau extérieur 22. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, on a enroulé un ensemble de fibres 24, non seulement autour de la partie centrale 22A de l'anneau extérieur 22 mais également autour de son aile 22B. Ainsi, le cerclage réalisé par l'enroulement de l'ensemble de fibres permet de raidir spécifiquement la partie centrale 22A au-dessus des aubes 20, et également l'aile 22B qui est en regard des aubes de roues mobiles adjacentes, en l'espèce les aubes 16 situées vers le côté aval de la turbine. Bien entendu, avec l'invention, on peut également choisir de raidir une aile amont, si l'anneau en est pourvu. Dans l'exemple de la figure 3, on a enroulé un ensemble de fibres 26 seulement autour de la partie centrale 22A. En réalité, grâce à sa mise en oeuvre aisée, le procédé de l'invention peut être adapté de manière très simple, aux besoins identifiés.

On peut par exemple, ayant constaté un risque de fissuration de la partie centrale 22A, disposer dans un premier temps un ensemble de fibres seulement autour de cette partie centrale. Si, à la suite d'essais, on continue de constater des dégradations inacceptables (apparition et/ou propagation de fissures, par exemple) dans d'autres régions de l'élément annulaire (par exemple l'aile 22B) dans des régions voisines ayant une portion annulaire (par exemple une roue mobile) ou, de manière générale, dans tout autre composant, en lien avec la zone incriminée et ayant une portion annulaire, on peut alors enrouler un deuxième ensemble de fibres autour des portions annulaires appartenant aux régions ou aux composants dégradés. Bien entendu, on peut également, dès l'origine, enrouler un ensemble de fibres autour de plusieurs régions de l'anneau extérieur ou autour de plusieurs composants. Dans la mesure où, avant la polymérisation de la résine dont il est imprégné, l'ensemble de fibres est flexible, il peut être enroulé autour de portions annulaires de géométrie relativement complexe. Ainsi, dans l'exemple de la figure 2, l'ensemble de fibres utilisées est un tissu de fibres que l'on a enroulé comme un tout autour des régions 22A et 22B de l'anneau extérieur, malgré la présence d'un ressaut entre ces régions. En se reportant à la figure 4, on comprend que l'ensemble de fibres 24, en l'espèce un tissu de fibres, a été enroulé sur plus d'un tour autour de la portion annulaire, en l'espèce la partie centrale 22A, les extrémités 24A et 24B de l'ensemble de fibres se recouvrant, avec ou sans surépaisseur notable. Il est intéressant de faire en sorte, avant polymérisation de la résine, de maintenir l'ensemble de fibres enroulé autour de la portion annulaire. Par exemple, à cet effet, la première extrémité 24A (extrémité intérieure) de l'ensemble de fibres 24 est collée par des points de colle 25 à la surface de la portion annulaire, puis on enroule l'ensemble de fibres 24 autour de la portion annulaire 22A en maintenant l'ensemble de fibres sous tension, et l'on fixe la deuxième extrémité 24B (extrémité extérieure) de l'ensemble de fibres sur la zone de cet ensemble qu'il recouvre, par des points de colle 25B. La colle sera choisie de manière appropriée en fonction de la résine utilisée. De manière générale, on choisira une colle capable de supporter, sans perte notable de ses qualités adhésives, les conditions de polymérisation de la résine, en particulier en matière de température. Par exemple, si la résine utilisée est une résine époxyde, on pourra choisir d'utiliser une colle de type époxyde. On peut bien entendu préférer utiliser une colle supportant des températures supérieures à la température de polymérisation de la résine, 35 de manière à garantir que le collage reste efficace pendant toute la durée de la polymérisation.

Par exemple, si la résine utilisée est de type phénolique polymérisant à une température de l'ordre de 150°C, on pourra utiliser une colle restant efficace jusqu'à une température de 200 à 250°C, telle qu'une colle époxyde.

Sous l'effet des élévations des températures pouvant être liées, d'une part, à la polymérisation de la résine et, d'autre part, et surtout, à l'utilisation de la turbine en essai ou en conditions réelles, la colle pourra se dégrader. Ceci n'a pas d'importance puisque, au moment de cette dégradation, la tenue de l'ensemble de fibres autour de la portion annulaire sera assurée par la résine polymérisée. Dans l'exemple décrit en référence aux figures 2 et 4, on a indiqué que l'ensemble de fibres pourrait être un tissu. Dans ce cas, il est avantageux de faire en sorte que certaines, au moins, des fibres aient leur longueur orientée selon la direction circonférentielle C de la portion annulaire. Il s'agit avantageusement des fibres formant la trame du tissu. Dans l'exemple de la figure 3, l'ensemble de fibres est constitué de fibres 26A, initialement libres, et enroulées les unes après les autres autour de la portion annulaire, constituée en l'espèce par la partie centrale 22A de l'anneau extérieur. Il peut bien entendu s'agir d'une seule fibre très longue, enroulée autour de la portion annulaire, à la manière d'un cordage disposé autour d'un treuil. Comme dans l'exemple précédemment décrit, la première extrémité de la ou des fibres peut être fixée à la portion annulaire, par exemple par collage, de manière à faire en sorte que, pendant tout l'enroulement, la ou les fibres soient maintenues en tension. On peut enrouler l'ensemble de fibres nues, c'est-à-dire non imprégnées de résine, autour de la portion annulaire, puis badigeonner l'ensemble de fibres de résine avant d'assurer la polymérisation de cette résine. Il est toutefois avantageux d'imprégner l'ensemble de fibres avec de la résine avant de procéder à son enroulement autour de la portion annulaire. En effet, dans ce cas, l'imprégnation est assurée de manière homogène. Cette imprégnation préalable peut être réalisée par trempage de l'ensemble de fibres dans de la résine. Elle peut être réalisée aussi bien lorsque l'ensemble de fibres se présente initialement sous la forme d'un tissu ou d'une nappe de fibres, que lorsque cet ensemble se présente sous la forme de fibres individuelles.

Dans les exemples qui viennent d'être décrits, le composant de la turbine qui fait l'objet du raidissement fait partie du stator de la turbine. On peut également choisir de mettre en oeuvre le procédé de l'invention sur une partie de rotor.

Ce procédé présente de nombreux avantages, en particulier son faible coût de revient et sa simplicité de mise en oeuvre. De plus, il permet de réaliser un raidissement efficace dans des dimensions extrêmement faibles en termes d'épaisseur radiale. Ainsi, la mise en oeuvre du procédé de l'invention sur une turbine améliore les qualités statiques et dynamiques du composant objet du raidissement, sans affecter les performances de la turbine, en particulier en matière de rendement et de masse. La nature de l'ensemble de fibres et de la résine sera choisie en fonction des utilisations de la turbine objet du procédé de l'invention.

En particulier, pour des composants de turbine soumis à des températures de fonctionnement relativement peu élevées, par exemple allant jusqu'à 450 K, on pourra privilégier des fibres de verre ou de carbone, et de la résine époxyde. En revanche, pour des composants soumis à des températures de fonctionnement plus élevées, pouvant aller par exemple jusqu'à 900 K, voire 1000 K, on pourra privilégier des fibres de carbone et de la résine phénolique. Les inventeurs ont en effet constaté que des résines phénoliques conservent, après avoir été soumise à des températures très élevées de l'ordre de 1000 K (pyrolyse) un pourcentage important de leur masse d'origine, de l'ordre de 70 °/(:), de sorte qu'elles sont particulière- ment adaptées dans le cas précité. Les diamètres des fibres utilisées peuvent être de l'ordre de 5 à 20 microns pour les fibres de verre, et de l'ordre de 2 à 10 microns pour les fibres de carbone. La résine phénolique peut être du type RA101.

La portion annulaire objet du procédé de l'invention, peut être située dans une région éloignée de l'axe A de la turbine. En effet, comme il a été indiqué, l'ensemble de fibres enroulées et imprégnées de résine augmente peu les dimensions diamétrales et augmente peu la masse. De plus, en choisissant les fibres et la résine de manière adaptée, comme il a été indiqué précédemment, on fait en sorte de réaliser un raidissement efficace même lorsque la portion annulaire est soumise, en fonctionnement, à des gradients à températures élevées. A cet égard, il est intéressant de choisir des fibres dont le coefficient de dilatation thermique soit inférieur à celui de la portion annulaire du composant. Les fibres de verre ou de carbone sont adaptées en particulier pour des composants réalisés en alliage, ou en nickel, ainsi qu'il a été indiqué. Cependant, dans le choix précité, la portion annulaire aura tendance à se dilater davantage que l'ensemble de fibres qui l'entoure, de sorte que l'effet de raidissement augmentera alors que la température augmente. L'invention pourrait également s'appliquer à des pièces de 10 turbomachine dont la température diminue en fonctionnement, lorsqu'elles sont soumises aux contraintes les plus fortes. Dans ce cas, il peut être intéressant de choisir des fibres dont le coefficient de dilatation thermique serait voisin, voire supérieur à celui de la portion annulaire du composant que l'on souhaite rigidifier, de manière à obtenir en fonctionnement le 15 raidissement désiré. Pour ce qui est de la polymérisation de la résine, ceci peut être obtenu, avec la résine du type précité, en soumettant le composant pourvu de l'ensemble de fibres imprégnées de résine, à des températures de polymérisation convenables. Pour la résine phénolique, la 20 polymérisation pourra être obtenue en maintenant une température de l'ordre de 150°C, pendant 20 à 30 minutes. Ces températures de polymérisation peuvent être atteintes à l'aide de systèmes de chauffage local, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des fours techniquement élaborés.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé pour réduire les risques d'endommagement d'un composant (20, 21, 22) d'une turbine de turbomachine, caractérisé en ce que, le composant ayant une portion annulaire (22A, 22B), on enroule un ensemble de fibres (24, 26) ayant au moins une fibre autour de ladite portion annulaire (22A, 22B) et on solidarise l'ensemble de fibres avec le composant à l'aide d'une résine que l'on polymérise.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on enroule l'ensemble de fibres (24, 26) autour de la portion annulaire (22A, 22B) en tendant ladite au moins une fibre autour de ladite portion.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'ensemble de fibres (24, 26) comprend au moins une fibre allongée, dont la longueur est supérieure à la circonférence de la portion annulaire (22A, 22B), et on enroule l'ensemble de fibres autour de ladite portion annulaire de telle sorte que la direction de la longueur de ladite au moins une fibre soit orientée sensiblement dans la direction circonférentielle (C) de la portion annulaire.
4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ensemble de fibres (26) comprenant plusieurs fibres allongées (26A) et en ce que, pour enrouler l'ensemble de fibres autour de la portion annulaire (22A), on enroule successivement les fibres allongées (26A) autour de ladite portion annulaire.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'ensemble de fibres comprend un tissu de fibres (24) que l'on enroule comme un tout autour de ladite portion annulaire (22A, 22B) ou une nappe de fibres.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on imprègne l'ensemble de fibres (24, 26) avec de la résine, on enroule l'ensemble de fibres imprégné de résine autour de la portion annulaire (22A, 22B), et on polymérise la résine.
7. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, avant de polymériser la résine, on maintient l'ensemble de fibres (24, 26) enroulé autour de la portion annulaire à l'aide de moyens de maintien (25A, 25B).
8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on choisit ladite au moins une fibre de telle sortequ'elle ait un coefficient de dilatation thermique déterminé par rapport à celui de la portion annulaire du composant.
9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite au moins une fibre est choisie parmi des fibres 5 de verre et/ou des fibres de carbone.
10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la portion annulaire (22A, 22B) est située dans une région éloignée de l'axe (A) de la turbine.