FR3010132A1

FR3010132A1 - Bord d'attaque metallique d'aube en materiau composite pour moteur a turbine a gaz

Info

Publication number: FR3010132A1
Application number: FR1358453A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Pautard; Benjamin Samson
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2015-03-06

Abstract

L'invention concerne un bord d'attaque métallique (100) d'aube en matériau composite pour moteur à turbine à gaz, comprenant un élément allongé plein (102) qui présente une forme de bord d'attaque adaptée à l'aube (2) sur laquelle il est destiné à être assemblé, ledit élément allongé ayant au moins une surface de contact (104) destinée à venir s'assembler sur une surface correspondante de l'aube.

Description

0 10 132 1 Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des aubes pour moteur aéronautique à turbine à gaz réalisées en matériau composite et comprenant un bord d'attaque métallique. La présence d'un clinquant métallique sur le bord d'attaque d'une aube de moteur aéronautique à turbine à gaz réalisée en matériau composite permet de protéger l'aubage composite de l'abrasion/érosion et lors de l'impact d'un corps étranger. Ceci est notamment le cas pour les aubes de soufflante d'une turbomachine aéronautique qui sont exposées à l'ingestion d'un oiseau, de grêle, de glace, etc. Typiquement, ces clinquants sont des pièces en acier inoxydable de faible épaisseur qui sont formées à froid. Quant aux aubes en matériau composite, elles sont réalisées par de nombreux procédés de fabrication différents, tels que par exemple le procédé manuel de stratifié/drapage, le procédé de moulage par injection d'une préforme fibreuse, le procédé de brodage, le procédé de thermo-compression, etc.

Les clinquants métalliques sont généralement assemblés sur le bord d'attaque des aubes une fois celles-ci réalisées. Cette opération peut être réalisée dans un moule assurant le collage du clinquant métallique ou dans une étuve pour obtenir une réticulation du cordon de colle appliqué le cas échéant sur le clinquant.

La fabrication et l'assemblage des clinquants métalliques sur le bord d'attaque des aubes en matériau composite posent certains problèmes, notamment du fait de la complexité de la forme géométrique de ces pièces (très petits rayons, faible épaisseur, formes non développables, formes gauches, etc.). Cette complexité géométrique entraîne de nombreuses non conformités constatées lors de la fabrication de ces pièces. De plus, la durée de vie des clinquants n'est généralement pas satisfaisante compte tenu de leur faible épaisseur et de leur topologie complexe. En outre, le formage à froid utilisé pour la fabrication des clinquants ne permet pas de fabriquer ce type de pièce pour des aubes de petites tailles, à faible rayon et ayant des formes aérodynamiques complexes, telles que les aubes directrices de sortie (appelées OGV pour « Outlet Guide Vane »), des aubes directrices d'entrée (appelées IGV pour « Inlet Guide Vane »), etc. Enfin, l'utilisation des techniques de fabrication par formage à froid ou à chaud, de même que l'emboutissage, l'estampage, etc. génère une très forte concentration de contraintes au niveau du rayon du bord d'attaque de l'aube, ce qui fragilise ce dernier et peut notamment provoquer sa déchirure face aux sollicitations mécaniques. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de proposer un bord d'attaque métallique d'aube en matériau composite qui ne présente pas les inconvénients précités. Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un bord d'attaque métallique d'aube en matériau composite pour moteur à turbine à gaz, comprenant un élément allongé plein qui présente une forme de bord d'attaque adaptée à l'aube sur laquelle il est destiné à être assemblé, ledit élément allongé ayant au moins une surface de contact destinée à venir s'assembler sur une surface correspondante de l'aube. Le recours à un bord d'attaque plein ayant une surface de contact d'assemblage sur l'aube facilite considérablement sa fabrication. En particulier, à partir d'un tel bord d'attaque, il est aisé de réaliser des formes géométriques complexes. De plus, le bord d'attaque selon l'invention, grâce à son aspect plein, présente une meilleure résistance aux impacts, ce qui augmente sa durée de vie sous érosion/abrasion. De la sorte, son remplacement pendant la durée de vie de l'aube sur laquelle il est assemblé peut être évité. En fonction de sa géométrie, le bord d'attaque selon l'invention peut également participer à la tenue mécanique à l'amélioration ou la raideur de l'aube sur laquelle il est assemblé et permettre ainsi l'emploi de matériaux composites aux caractéristiques mécaniques moins élevées et donc potentiellement moins onéreuses. En outre, le bord d'attaque selon l'invention peut être surmoulé au cours d'un procédé de fabrication par injection de l'aube en matériau composite, ce qui permet de limiter le retrait ou l'anisotropie de la résine sur toute la hauteur de l'aube et la déformation post-injection liée à la résine et à la géométrie de la pièce. De plus, avec ce type de procédé de fabrication, la tolérance de réalisation du bord d'attaque métallique avant le surmoulage peut être relativement large, ce qui limite les coûts de fabrication et réduit le taux de rebuts. L'élément allongé du bord d'attaque peut comprendre des ailes 5 destinées à venir épouser le profil aérodynamique des faces intrados et extrados de l'aube. En ayant recours à un procédé de fabrication par injection de l'aube en matériau composite, pendant le surmoulage du bord d'attaque de l'aube, la pression d'injection de la résine déforme les ailes de l'élément allongé du bord d'attaque ce qui permet de finaliser le 10 formage et l'accostage sur les surfaces intrados et extrados de l'aube. De préférence, le bord d'attaque comprend en outre des moyens pour renforcer l'ancrage de l'élément allongé sur l'aube. De tels moyens permettent notamment d'assurer les aspects cohésifs et adhésifs du bord d'attaque sur l'aube en évitant le recours à des adhésifs. De plus, 15 ils assurent un positionnement et une tenue du bord d'attaque pour résister aux sollicitations mécaniques (arrachement, pression aérodynamique et mode vibratoire qui entraînent différents modes de déformation tels que la flexion, la torsion, etc.). Dans ce cas, l'élément allongé peut ainsi comprendre au moins 20 un perçage au niveau de sa surface de contact destinée à venir s'assembler sur l'aube de façon à renforcer son ancrage sur l'aube et à augmenter les surfaces cohésives. Toujours dans ce cas, l'élément allongé peut également comprendre une section droite en forme de queue d'aronde de façon à 25 renforcer son ancrage sur l'aube. L'élément allongé du bord d'attaque peut être obtenu par usinage, par fonderie, par moulage par injection de métal, par moulage sous pression, par moulage de métal à l'état semi-solide, par fusion-métal, par frittage de poudre métallique, par fusion de poudre par laser (DMLS 30 pour « Direct Metal Laser Sintering »), etc. Le bord d'attaque peut comprendre en outre un primaire d'adhésion entre sa surface de contact et la surface correspondante de l'aube de façon à optimiser les aspects cohésifs et adhésifs. L'invention a également pour objet une aube de turbomachine 35 en matériau composite comprenant un bord d'attaque métallique tel que défini précédemment. Le bord d'attaque métallique est de préférence 3 0 10 132 4 assemblé par surmoulage au cours d'un procédé de fabrication par injection de l'aube. L'invention a encore pour objet une turbomachine comprenant au moins une telle aube.

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 des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1A est une vue schématique d'une aube comprenant un bord d'attaque selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 1B est une vue schématique du bord d'attaque de la figure lA ; - la figure 2A est une vue schématique d'une aube comprenant un bord d'attaque selon un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2B est une vue schématique du bord d'attaque de la figure 2A ; et - les figures 3A à 3D sont des vues schématiques de bords d'attaque selon encore d'autres modes de réalisation de l'invention.

Description détaillée de l'invention L'invention s'applique à la réalisation d'aubes en matériau composite pour moteur aéronautique à turbine à gaz ayant un bord d'attaque métallique.

Des exemples non limitatifs de telles aubes sont notamment les aubes de soufflante, les aubes directrices de sortie (appelées OGV pour « Outlet Guide Vane »), les aubes directrices d'entrée (appelées IGV pour « Inlet Guide Vane »), les aubes à angle de calage variable (appelées VSV pour « Variable Stator Vane »), etc.

Ces aubes en matériau composite peuvent obtenues à partir d'un renfort fibreux densifié par une matrice. Dans ce cas, elles sont fabriquées à partir d'une préforme fibreuse pouvant être obtenue de différentes façons connues de l'homme du métier. Typiquement, ces préformes peuvent être obtenues directement par tissage tridimensionnel de fils (formés par exemple de fibres de carbone), par drapage de tissus fibreux bidimensionnels ou autres, par procédé d'injection RTM (pour « Resin Transfer Moulding »), etc. Alternativement, ces aubes en matériau composite peuvent être obtenues directement par injection dans un moule d'une résine thermoplastique (TP) renforcée par des charges courtes, longues, sous forme de flocons (« flakes »), etc, et de toute nature (carbone, verre, etc.). On pourra se référer à la demande de brevet française n°13 57485 déposée le 29 juillet 2013 par la Demanderesse qui décrit un procédé de fabrication d'une aube en matériau composite à bord d'attaque métallique intégré. Ce procédé est particulièrement adapté à la fabrication d'une aube en matériau composite munie d'un bord d'attaque métallique conforme à la présente invention. Comme représenté sur la figure 1A, l'aube 2 en matériau composite comprend, de façon connue en soi, une pale 4 s'étendant en direction longitudinale entre un pied (non représenté) et un sommet 6 et comprenant une face intrados 4a et une face extrados 4b. L'aube 2 peut également comprendre une plateforme 8 délimitant à l'intérieur la veine d'écoulement du flux gazeux. La pale 4 de l'aube s'étend en direction transversale entre un bord de fuite 10 et un bord d'attaque 100, ce dernier étant métallique. Conformément à l'invention, comme représenté sur la figure 1B, le bord d'attaque 100 de l'aube 2 en matériau composite se présente sous la forme d'un élément allongé 102 métallique qui s'étend selon la direction longitudinale L de l'aube sur toute la hauteur de la pale 4 de l'aube. Cet élément allongé 102 est métallique et plein, c'est-à-dire qu'il n'est pas constitué par une simple tôle métallique qui aurait été déformée. De plus, cet élément allongé présente une forme de bord d'attaque qui est adaptée à l'aube sur laquelle il est destiné à être assemblé. Ainsi, il ne constitue pas un clinquant venant simplement recouvrir le bord d'attaque d'une aube en matériau composite. En d'autres termes, l'élément allongé 102, de par son aspect « plein », présente une certaine tenue mécanique qui lui permet de participer à la tenue mécanique générale de l'aube sur laquelle il est 35 assemblé.

De plus, l'élément allongé 102 formant le bord d'attaque selon l'invention présente une surface de contact 104, par exemple plane, qui est destinée à venir s'assembler sur une surface correspondante de l'aube. On notera que le bord d'attaque 100 selon l'invention n'est pas 5 fabriqué en ayant recours à un procédé classique de déformation plastique d'un métal tel que le formage (à froid ou à chaud), l'emboutissage, l'estampage, etc. Au contraire, le bord d'attaque selon l'invention, et plus précisément l'élément allongé, est obtenu par usinage, par fonderie, par moulage par injection de métal, par moulage sous pression (« die 10 casting » en anglais), par moulage de métal à l'état serai-solide (appelé thixmoulage®), etc. Ces procédés permettent de réaliser un bord d'attaque métallique qui ne génère pas de contraintes dans la pièce. Le métal utilisé pour la fabrication du bord d'attaque selon l'invention dépendra du procédé de fabrication utilisé. Idéalement, le 15 métal sera un matériau métallique inoxydable de faible densité. Si le métal utilisé n'est pas inoxydable ou ayant de bonnes propriétés contre la corrosion, des protections et/ou traitements de conversion chimique pourront être utilisées pour améliorer sa tenue vis-à-vis de la corrosion. Les figures 2A et 2B illustrent un autre mode de réalisation du 20 bord d'attaque selon l'invention. Le bord d'attaque métallique 200 de l'aube 2' selon ce mode de réalisation diffère de celui précédemment décrit par la présence au niveau de l'élément allongé 202 de deux ailes 206 destinées à venir épouser le profil aérodynamique des faces intrados 4a et extrados 4b de l'aube par 25 l'intermédiaire de la pression d'injection de la résine (front de matière) et/ou par un procédé d'injection-compression. On pourra notamment se référer à la demande de brevet française n°13 57485 déposée le 29 juillet 2013 par la Demanderesse qui décrit un tel processus et ses avantages. Ces ailes 206 se raccordent au niveau de la surface de contact 30 204 de l'élément allongé 200 qui est destinée à venir s'assembler sur une surface correspondante de l'aube 2'. Les figures 3A à 3D illustrent de façon schématique des bords d'attaque selon encore d'autres modes de réalisation de l'invention. Ainsi, la figure 3A représente, en coupe longitudinale, l'élément 35 allongé 302 d'un bord d'attaque métallique 300 selon l'invention. Cet élément allongé 302 peut être sensiblement identique à celui du mode de réalisation des figures 2A et 2B (c'est-à-dire muni d'ailes 306) et comprend deux perçages 308 de forme cylindrique au niveau de sa surface de contact 304 destinée à venir s'assembler sur l'aube. Plus précisément, ces perçages 308 s'étendent chacun à partir 5 de la surface de contact 304 de l'élément allongé, par exemple selon une direction D qui est perpendiculaire à la direction longitudinale L selon laquelle s'étend l'élément allongé. Ces perçages 308 permettent de renforcer l'ancrage du bord d'attaque métallique sur l'aube en matériau composite. 10 De même, la figure 3B représente, en coupe longitudinale, l'élément allongé 402 d'un bord d'attaque métallique 400 selon un autre mode de réalisation de l'invention. Cet élément allongé 402 est sensiblement identique à celui du mode de réalisation des figures 1A et 1B et comprend deux perçages 408 15 au niveau de sa surface de contact 404 destinée à venir s'assembler sur l'aube. A titre d'exemple, ces perçages s'étendent selon une direction D qui est perpendiculaire à la direction longitudinale L selon laquelle s'étend l'élément allongé et présentant une forme parallélépipédique ou oblong. Comme pour le précédent mode de réalisation, de tels perçages 20 408 permettent de renforcer l'ancrage du bord d'attaque métallique 400 sur l'aube en matériau composite. Bien entendu, à la place de perçages de forme cylindrique, parallélépipédique ou oblong, il est possible d'envisager toute autre forme permettant d'améliorer l'ancrage du bord d'attaque sur l'aube, par 25 exemple des rainures ou des empreintes moins profondes. Le mode de réalisation du bord d'attaque métallique 500 illustré par la figure 3C présente la particularité que l'élément allongé 502 présente une section droite en forme de queue d'aronde de façon à renforcer son ancrage sur l'aube. Cette forme de queue d'aronde est 30 notamment formée par la surface de contact 504 de l'élément allongé venant s'assembler sur l'aube. On notera que dans le mode de réalisation de la figure 3C, la queue d'aronde est « négative », l'aube sur laquelle vient s'assembler le bord d'attaque présentant une forme complémentaire « positive » de 35 queue d'aronde. Il est bien entendu possible d'imaginer l'inverse, à savoir une forme positive de queue d'aronde au niveau de l'élément allongé, et une forme négative correspondante au niveau de l'aube. Enfin, la figure 3D représente encore un autre mode de réalisation d'un bord d'attaque métallique 600 selon l'invention.

Dans ce mode de réalisation, l'élément allongé 602 présente d'autres formes géométriques pour améliorer l'ancrage du bord d'attaque sur l'aube. En particulier, l'élément allongé présente une nervure 610 s'étendant selon la direction longitudinale L sur toute la hauteur du bord d'attaque de sorte à former trois surfaces de contact 604 destinées à venir s'assembler sur des surfaces correspondantes de l'aube. Par ailleurs, cette nervure 610 peut comporter des empreintes 612, par exemple de forme sphérique, ainsi que des découpes 614, par exemple de forme semi-cylindrique, permettant de renforcer davantage l'ancrage du bord d'attaque sur l'aube. De telles découpes peuvent d'ailleurs être positionnées à d'autres emplacements de l'élément allongé comme représenté sur la figure 3D. Bien entendu, il ne s'agit ici que d'exemples de formes géométriques données aux empreintes et découpes formées sur l'élément allongé du bord d'attaque pour renforcer son ancrage. Toute autre forme 20 et positionnement sur le bord d'attaque peuvent être envisagés. Quelque soit le mode de réalisation, on notera qu'il est possible d'ajouter un primaire d'adhésion entre la surface de contact du bord d'attaque et la surface correspondante de l'aube de façon à optimiser les aspects cohésifs et adhésifs entre les deux pièces. 25

Claims

REVENDICATIONS1. Bord d'attaque métallique (100-600) d'aube en matériau composite pour moteur à turbine à gaz, comprenant un élément allongé plein (102-602) qui présente une forme de bord d'attaque adaptée à l'aube (2) sur laquelle il est destiné à être assemblé, ledit élément allongé ayant au moins une surface de contact (104-604) destinée à venir s'assembler sur une surface correspondante de l'aube. 10
2. Bord d'attaque (200 ; 300) selon la revendication 1, dans lequel l'élément allongé (202 ; 302) comprend des ailes (206 ; 306) destinées à venir épouser le profil aérodynamique des faces intrados (4a) et extrados (4a) de l'aube. 15
3. Bord d'attaque selon l'une des revendications 1 et 2, comprenant en outre des moyens pour renforcer l'ancrage de l'élément allongé sur l'aube.
4. Bord d'attaque (300 ; 400) selon la revendication 3, dans 20 lequel l'élément allongé (302 ; 402) comprend au moins un perçage (308 ; 408) au niveau de sa surface de contact (304 ; 404) destinée à venir s'assembler sur l'aube de façon à renforcer son ancrage sur l'aube.
5. Bord d'attaque (500) selon la revendication 3, dans lequel 25 l'élément allongé (502) comprend une section droite en forme de queue d'aronde de façon à renforcer son ancrage sur l'aube.
6. Bord d'attaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'élément allongé est obtenu par usinage, par fonderie, par 30 moulage par injection de métal, par moulage sous pression, par moulage de métal à l'état semi-solide, par fusion-métal, par frittage de poudre métallique, ou par fusion de poudre par laser.
7. Bord d'attaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 35 6, comprenant en outre un primaire d'adhésion entre sa surface decontact et la surface correspondante de l'aube de façon à optimiser les aspects cohésifs et adhésifs.
8. Aube (2) de turbomachine en matériau composite 5 comprenant un bord d'attaque métallique (100-600) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
9. Aube selon la revendication 8, dans laquelle le bord d'attaque métallique est assemblé par surmoulage au cours d'un procédé de 10 fabrication par injection.
10. Turbomachine comprenant au moins une aube selon l'une des revendications 8 et 9.