FR3011269A1 - Aube de redresseur pour moteur a turbine a gaz a structure hybride - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une aube de redresseur (2) pour moteur à turbine à gaz, comprenant un aubage (4) en matériau composite sur lequel est assemblé un bord d'attaque métallique (10), et au moins une plateforme (6) assemblée sur une extrémité radiale de l'aubage.
Description
Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des aubes de redresseur pour moteur aéronautique à turbine à gaz. Des exemples d'application de l'invention sont notamment les aubes directrices de sortie (appelées OGV pour « Outlet Guide Vane »), les aubes directrices d'entrée (appelées IGV pour « Inlet Guide Vane »), et les aubes à calage variable (appelées VSV pour « Variable Stator Vane ») d'une turbomachine aéronautique. Typiquement, les aubes de redresseur d'un moteur 10 aéronautique à turbine à gaz présentent chacune deux plateformes (intérieure et extérieure) qui sont rapportées sur l'aubage. Ces aubes de redresseur forment des rangées d'aubes fixes qui permettent de guider le flux gazeux traversant le moteur selon une vitesse et un angle appropriés. Les aubes de redresseur sont généralement métalliques mais il 15 est devenu courant de les réaliser en matériau composite notamment pour en diminuer la masse. Or, les procédés de fabrication des aubes de redresseur en matériau métallique ou en matériau composite présentent certains inconvénients. En particulier, pour les aubes de redresseur métalliques, les 20 outillages à utiliser pour leur fabrication sont coûteux et longs à réaliser. En effet, ces aubes de redresseur sont typiquement obtenues de fonderie, ce qui nécessite deux empreintes différentes, à savoir un noyau permanent qui est coûteux et long à fabriquer et requiert un traitement contre l'usure, et un noyau sable avec agglomérant qui doit être refait très 25 fréquemment. De plus, ce type d'aube de redresseur nécessite une phase de finition par usinage ou par traitement chimique pour finaliser la pièce. Quant aux aubes de redresseur en matériau composite, elles sont le plus souvent réalisées par des procédés de fabrication différents, tels que par exemple le procédé manuel de stratifié/drapage, le procédé 30 de moulage par injection d'une préforme fibreuse (RTM pour « Resin Transfer Moulding »), le procédé par infusion de résine liquide, le procédé de brodage, le procédé de thermo-compression, etc. Les procédés par stratifié/drapage ne sont cependant pas adaptées à la fabrication des aubes de redresseur qui ont des petites 35 tailles ou des facteurs de forme complexes. Les procédés par injection de résine entraînent des défauts de décadrage de la préforme fibreuse pendant sa mise en forme ou pendant sa consolidation et présentent des risques de délaminage inter laminaire. De plus, certains de ces procédés de fabrication nécessitent de rapporter les plateformes sur l'aubage, ce qui induit des coûts de fabrication supplémentaires.
Par ailleurs, les aubes de redresseur en matériau composite nécessitent de rapporter un clinquant métallique sur leur bord d'attaque afin de protéger celui-ci contre l'érosion, l'abrasion et l'impact de corps étrangers. Or, l'assemblage du bord d'attaque métallique sur l'aubage est une opération supplémentaire longue et coûteuse.
Objet et résumé de l'invention Il existe donc un besoin de pouvoir disposer d'une aube de redresseur qui ne présente pas les inconvénients liés aux procédés de fabrication mentionnés ci-dessus.
Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à une aube de redresseur pour moteur à turbine à gaz, comprenant un aubage en matériau composite sur lequel est assemblé un bord d'attaque métallique, et au moins une plateforme assemblée sur une extrémité radiale de l'aubage.
L'aube de redresseur selon l'invention est remarquable en ce qu'elle présente une structure hybride avec son aubage en matériau composite et son bord d'attaque en matériau métallique. Cette aube de redresseur est monobloc (la plateforme est intégrée à l'aubage), ce qui évite d'avoir à réaliser une étanchéité entre la plateforme et l'aubage.
La structure hybride (métal/composite) de l'aube de redresseur selon l'invention permet ainsi une fabrication par un procédé de fabrication qui ne présente pas les inconvénients précités des procédés de fabrication d'aubes de redresseur entièrement métalliques et d'aubes de redresseur entièrement en matériau composite. En particulier, les problèmes liés à la fabrication par injection de résine d'une aube de redresseur en matériau composite peuvent être évités, du fait que seul l'aubage est ici réalisé en matériau composite. Le bord d'attaque métallique de l'aubage peut comprendre des moyens de fixation de l'aube de redresseur sur une virole de carter.
De préférence, le bord d'attaque métallique est assemblé sur l'aubage par surmoulage au cours d'un procédé de fabrication par 3 0 1 12 6 9 3 injection de l'aube de redresseur. L'assemblage du bord d'attaque métallique est ainsi intégré dans le processus de fabrication de l'aube de redresseur, ce qui évite toute opération supplémentaire. De préférence également, le bord d'attaque métallique est plein 5 et s'étend sur toute la hauteur de l'aubage. Le recours à un bord d'attaque plein lui confère une meilleure résistance (à l'érosion, l'abrasion et à l'impact). De plus, la durée de vie du bord d'attaque est augmentée par rapport à un bord d'attaque formé par un simple clinquant. En outre, comme celui-ci s'étend sur toute la hauteur de l'aubage, la raideur de 10 l'aube de redresseur est améliorée, ce qui réduit la déformée de celle-ci sous les sollicitations aérodynamiques qu'elle subit en fonctionnement. Le bord d'attaque métallique peut présenter une nervure formant raidisseur. Une telle nervure permet d'augmenter la raideur de l'aube de redresseur et la résistance de l'aubage sous les sollicitations et 15 contraintes aérodynamiques. L'aubage peut comprendre en outre un bord de fuite métallique formant une seule et même pièce avec le bord d'attaque métallique. Un tel bord de fuite métallique permet également d'augmenter la raideur de l'aube de redresseur et de limiter sa déformation globale sur l'ensemble de 20 l'aubage et ses déformations locales en dynamique/vibratoire. Ce bord de fuite métallique peut être plein et s'étendre sur toute la hauteur de l'aubage. La plateforme peut être réalisée en matériau métallique et/ou composite. 25 L'aube de redresseur peut comprendre en outre une autre plateforme métallique assemblée par l'intermédiaire du bord d'attaque métallique sur une autre extrémité radiale de l'aubage. L'invention concerne également une turbomachine comprenant au moins une aube de redresseur telle que définie précédemment. 30 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 35 caractère limitatif. Sur les figures : la figure 1 est une vue en perspective d'une aube de redresseur selon l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe transversale de l'aube de redresseur de la figure 1 ; la figure 3 est une vue en coupe transversale d'une aube de redresseur selon une variante de réalisation de l'invention ; la figure 4 est une vue en perspective d'une aube de redresseur selon une autre variante de réalisation de l'invention ; et la figure 5 est une vue en coupe transversale de l'aube de redresseur de la figure 4. Description détaillée de l'invention L'invention s'applique à la réalisation d'aubes de redresseur pour moteur aéronautique à turbine à gaz ayant un bord d'attaque métallique.
Des exemples non limitatifs de telles aubes de redresseur sont notamment les aubes directrices de sortie (OGV), les aubes directrices d'entrée (IGV), et les aubes à calage variable (VSV), etc. La figure 1 représente de façon schématique et en perspective un exemple d'une telle aube de redresseur 2.
De façon connue en soi, l'aube de redresseur 2 comprend un aubage 4 ayant face intrados 4a et une face extrados 4b, une plateforme intérieure 6 assemblée sur une extrémité radiale intérieure de l'aubage, et une plateforme extérieure 8 assemblée sur l'extrémité radiale extérieure de l'aubage.
L'aubage 4 est réalisé en matériau composite et comprend un bord d'attaque métallique 10 assemblé sur celui-ci. Comme représenté sur la figure 2, ce bord d'attaque 10 est de préférence plein et s'étend sur toute la hauteur de l'aubage (c'est-à-dire entre ses deux extrémités radiales). Bien entendu, ce bord d'attaque pourrait être creux ou en forme de U. Conformément à l'invention, une telle aube de redresseur 2 présente une structure hybride composite/métal, à savoir que l'aubage 4 est réalisé en matériau composite et le bord d'attaque 10 est métallique, les plateformes intérieure 6 et extérieure 8 étant réalisées en matériau métallique ou en matériau composite ou en un mélange de ces deux matériaux.
Dans sa partie inférieure, le bord d'attaque métallique 10 peut comprendre, par exemple au niveau de la face intrados 4a de l'aubage, au moins une zone de fixation 12 pour la fixation de l'aube de redresseur sur une virole intérieure d'un carter (non représentée sur les figures).
Dans l'exemple illustré, cette zone de fixation 12 comprend par exemple une languette 12a munie d'un orifice traversant 12b. Cet orifice 12b permet le passage d'une vis pour la fixation de l'aube de redresseur sur la virole intérieure du carter. En fonction de la topologie de la plateforme intérieure 6, un orifice correspondant peut également être ménagé dans la plateforme. De même, la partie supérieure du bord d'attaque métallique 10 peut comprendre une même zone de fixation (non représentée sur les figures) pour la fixation de l'aube de redresseur sur une virole extérieure du carter.
Le bord d'attaque 10 et sa zone de fixation 12 sont réalisés sous la forme d'une seule et même pièce métallique, celle-ci reprenant la topologie du bord d'attaque et de sa zone de fixation. A titre d'exemple, cette pièce peut être obtenue de fonderie, par moulage par injection de métal (procédé MIM pour « Metal Injection Molding »), par moulage sous pression ou coulé, par forge et usinage, par usinage dans la masse, par moulage de métal à l'état semi-solide (appelé thixomoulage®), par fusion-laser, etc. Quant à l'aubage 4 de l'aube de redresseur, il est réalisé en matériau composite par tout procédé de fabrication connu de l'homme du métier. On pourra par exemple partir d'une préforme fibreuse (obtenue par tissage, drapage ou autre) qui est ensuite densifiée ensuite par une matrice (par injection de résine, infusion de résine ou autre). Alternativement, l'aubage pourra être réalisé 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.). Lorsqu'elle est en matériau composite, la plateforme et l'aubage peuvent être réalisés en une seule opération après le positionnement de la pièce métallique (bord d'attaque 10 et sa zone de fixation 12) dans l'outillage et à partir d'une préforme fibreuse qui est ensuite densifiée par une matrice. On notera que la préforme fibreuse peut également 30112 6 9 6 correspondre uniquement à l'aubage, la plateforme étant réalisée par la résine. Une fois réalisés la pièce métallique (bord d'attaque 10 et sa zone de fixation 12) et l'aubage en matériau composite, l'ensemble 5 assemblé est positionné dans un moule d'injection pour effectuer un surmoulage de la pièce métallique à l'aide d'une résine thermoplastique (TP) ou thermodurcissable (TD) afin de finaliser l'ensemble. On pourra se référer à la demande de brevet française n°13 57485 déposée le 29 juillet 2013 par la Demanderesse qui décrit un 10 procédé d'assemblage par surmoulage d'un bord d'attaque métallique sur une aube en matériau composite. Dans son principe, ce procédé peut être appliqué pour réaliser le surmoulage de la pièce métallique (bord d'attaque) sur l'aubage en matériau composite de l'aube de redresseur selon l'invention.
15 Si la topologie finale de l'aube de redresseur pose un problème au niveau de la cinématique de l'outillage pour réaliser un tel surmoulage en une seule fois (notamment un problème d'ouverture du moule d'injection et/ou d'éjection de la pièce), il est possible de décomposer le surmoulage de l'ensemble en plusieurs fois.
20 La résine TP ou TD utilisée pour le surmoulage pourra être chargée par des charges courtes, longues, sous forme de flocons (« flakes »), etc, et de toute nature (carbone, verre, etc.). Une résine TP ou TD chargée de fibres de carbone ou de verre possède une excellente propriété de résistance à l'érosion, ce qui évite d'avoir à ajouter sur l'aube 25 de redresseur une protection contre l'érosion. Par ailleurs, comme représenté sur la vue en coupe transversale de la figure 2, le bord d'attaque métallique 10 de l'aube de redresseur 2 peut présenter une nervure 14. Cette nervure 14, qui forme une seule et même pièce avec le bord d'attaque, permet d'augmenter la raideur de 30 l'aubage et sa résistance au centre sous les contraintes aérodynamiques. On notera que, comme représenté sur la figure 2, la nervure 14 peut être « noyée » dans l'aubage 4 en matériau composite. Dans une variante non illustrée, cette nervure peut simplement être positionnée le long de la surface intrados 4a ou de la surface extrados 4b de l'aubage 4 35 en reprenant le profil aérodynamique de celle-ci.
30112 6 9 7 La figure 3 représente en coupe transversale une variante de réalisation d'une aube de redresseur 2' selon l'invention. Par rapport au mode de réalisation précédemment décrit, l'aubage 4 de cette aube de redresseur comprend en outre un bord de 5 fuite métallique 16 qui forme une seule et même pièce avec le bord d'attaque métallique 10. Ce bord de fuite métallique 16 est ici local, c'est-à-dire qu'il ne s'étend que sur une partie seulement de la hauteur radiale de l'aubage. La présence de ce bord de fuite local permet d'améliorer la résistance de 10 l'aube de redresseur à l'intersection de l'aubage et de la plateforme aux sollicitations mécaniques qu'elle subit tout en limitant sa masse. Dans le cas de sollicitations mécaniques encore plus importantes, l'aubage 4 de l'aube de redresseur 2" pourra, comme représenté sur les figures 4 et 5, présenter un bord de fuite métallique 16' 15 plein et s'étendant sur toute la hauteur radiale de l'aubage. Ainsi, le bord d'attaque 10 et le bord de fuite 16' relient les deux plateformes intérieure 6 et extérieure 8 entre elles. Dans cette variante de réalisation, on notera que le bord de fuite métallique 16' forme également une seule et même pièce avec le 20 bord d'attaque métallique 10.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Aube de redresseur (2 ; 2' ; 2") pour moteur à turbine à gaz, comprenant un aubage (4) en matériau composite sur lequel est assemblé un bord d'attaque métallique (10), et au moins une plateforme (6) assemblée sur une extrémité radiale de l'aubage.
- 2. Aube de redresseur selon la revendication 1, dans lequel le bord d'attaque métallique de l'aubage comprend des moyens de fixation (12a, 12b) de l'aube de redresseur sur une virole de carter.
- 3. Aube de redresseur selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le bord d'attaque métallique est assemblé sur l'aubage par surmoulage au cours d'un procédé de fabrication par injection de l'aube de redresseur.
- 4. Aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le bord d'attaque métallique est plein et s'étend sur toute la hauteur de l'aubage.
- 5. Aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le bord d'attaque métallique présente une nervure (14) formant raidisseur.
- 6. Aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'aubage comprend en outre un bord de fuite métallique (16 ; 16') formant une seule et même pièce avec le bord d'attaque métallique.
- 7. Aube de redresseur selon la revendication 6, dans lequel le bord de fuite métallique (16) est plein et s'étend sur toute la hauteur de l'aubage.
- 8. Aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la plateforme est réalisée en matériau métallique et/ou composite.
- 9. Aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant en outre une autre plateforme assemblée (8) par l'intermédiaire du bord d'attaque métallique sur une autre extrémité radiale de l'aubage.
- 10. Turbomachine comprenant au moins une aube de redresseur (2 ; 2' ; 2") selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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