FR3014964A1

FR3014964A1 - Redresseur a calage variable en materiaux composites

Info

Publication number: FR3014964A1
Application number: FR1362622A
Authority: FR
Inventors: Stephane Pierre Roger Hennequin; Julien Prevost; Ziyad Karmy
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2015-06-19
Anticipated expiration: 2033-12-13
Also published as: US20150167490A1; US10024186B2; GB2522770A; GB2522770B; FR3014964B1

Abstract

L'invention porte sur une aube à calage variable pour redresseur de compresseur, l'aube (10) comportant une pale (50) et au moins un pivot (20 ; 21), le pivot (20; 21) comportant un élément interne de pivot (40a, 40b ; 41a, 41b) et une coiffe de pivot (30 ; 31), la pale (50) et l'élément interne de pivot (40a, 40b ; 41a, 41b) étant réalisés chacun en un matériau composite, au moins une surface de contact (36, 39) de la coiffe de pivot (30 ; 31) étant métallique.

Description

REDRESSEUR A CALAGE VARIABLE EN MATERIAUX COMPOSITES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention porte sur une structure d'aube de redresseur à calage variable. Les aubes à calage variable (en anglais variable stator vane ou VSV) ont la particularité de pouvoir être manoeuvrées. Comme leur nom l'indique, leur angle d'incidence par rapport au flux d'air provenant de l'étage amont est modifié au cours des différentes phases de vol. Cet angle d'incidence est nommé l'angle de calage. Les VSV sont fortement sollicitées par leur environnement (pression, température, contraintes mécaniques, etc.). Dans ces conditions difficiles, les VSV doivent pouvoir jouer au moins deux rôles : - redresser le flux d'air provenant de l'étage amont : fonction aéromécanique à laquelle répond la géométrie de la pale ; - être capables de pivoter autour de l'axe de calage : fonction mécanique réalisée au moyen d'un guidage en rotation et d'un système d'entrainement. De l'art antérieur, on connait des aubes à calage variable entièrement métalliques. D'une manière générale, il est souhaitable de réduire la masse des composants d'un moteur d'avion. L'invention porte sur une nouvelle architecture d'aube à calage variable de masse réduite par rapport à une aube de l'art antérieur. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'aube à calage variable selon l'invention comporte une pale et au moins un pivot, le pivot comportant un élément structurel interne de pivot et une coiffe, la pale et l'élément structurel interne de pivot étant réalisés chacun en un matériau composite, au moins une surface de contact de la coiffe de pivot la coiffe étant métallique. L'invention permet ainsi avantageusement de fabriquer les coiffes, la pale et les éléments structurels internes des pivots séparément de manière à dissocier la fabrication d'une forme complexe en des procédés plus simples. Ainsi, les coûts de fabrication restent faibles, la masse globale de l'aube reste faible et chaque sous-composant peut bénéficier d'un matériau choisi vis-à-vis de ses contraintes de fabrication propres.

Ainsi, les parties structurantes des redresseurs (pale et éléments structurels internes des pivots) sont en matériaux composites, tandis que les surfaces des pivots en contact avec les autres pièces du moteur sont métalliques. L'invention a donc pour avantage de réduire substantiellement la masse totale des aubes à calage variable (VSV) par rapport à l'existant, tout en présentant des surfaces de contact métalliques, à bonnes propriétés en friction, à bonne résistance et à durée de vie optimale. La réduction de masse permet ainsi de réduire la consommation du moteur. En outre, les aubes à calage variable de l'art antérieur comportent un congé de raccordement entre la pale et le pivot. La structure d'aube selon l'invention permet de s'affranchir de la présence d'un tel congé de raccordement dans la veine de turbomachine. En l'absence de congé entre la pale et les pivots, l'écoulement du flux d'air se fait de manière plus laminaire et permet ainsi d'améliorer les performances de la grille de redresseur. Le gain apporté par cette absence de rayon de raccordement est d'autant plus visible sur les aubages de faible dimension où le rapport entre le rayon et la hauteur du profil aérodynamique est faible. En effet la mise à l'échelle de ce rayon n'est pas toujours réalisable sur un redresseur forgé. L'invention présente encore l'avantage d'être compétitive en termes de coûts de fabrication.

Avantageusement, l'élément interne de pivot est assemblé sur une patte qui est réalisée monobloc et venant de matière avec la pale. Avantageusement, la pale est réalisée en un premier matériau composite et l'élément interne de pivot est réalisé en un deuxième matériau composite distinct du premier matériau composite.

Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le premier matériau composite est un matériau à fibres longues, par exemple de type pré-imprégné 2D ou tissé 3D. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le deuxième matériau composite est un matériau à fibres courtes et à matrice organique. Avantageusement, la coiffe est entièrement métallique. Avantageusement, la pale comporte un profil aérodynamique pourvu d'un bord d'attaque intégré. Dans un mode de réalisation avantageux, l'élément interne de pivot est assemblé/collé sur la patte. Alternativement, l'élément interne de pivot est injecté sur la patte. L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'une aube à calage variable telle que décrite ci-dessus, comportant les étapes suivantes : - assemblage de l'élément interne de pivot sur une patte du flasque de la pale ; - montage de la coiffe sur la patte. Dans un mode particulier, l'élément interne de pivot est injecté sur la patte avant montage de la coiffe sur la patte. Alternativement, l'élément interne de pivot est injecté sur la patte après montage de la coiffe sur la patte. En variante, l'élément interne de pivot est un insert rapporté et/ou collé sur la patte. L'invention porte encore sur une turbomachine comportant une aube à calage variable telle que décrite ci-dessus, celle-ci étant mobile en liaison pivot par rapport à une paroi de veine de la turbomachine. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1A est une vue en perspective d'une aube à calage variable selon l'invention, comportant une pale, un pivot inférieur et un pivot supérieur ; - la figure 1B est une vue de dessous du pivot supérieur de la figure 1A, monté sur la partie haute de l'aube; - la figure 2 est une vue en perspective d'une pale que comporte l'aube de la figure 1A; - les figures 3A et 3B sont des vues en perspective respectivement de deux éléments structurels internes du pivot supérieur, et de deux éléments structurels internes du pivot inférieur ; - les figures 4A et 4C sont deux vues respectivement en coupe et en perspective d'une coiffe du pivot supérieur ; - la figure 4B est une vue en perspective d'une coiffe du pivot inférieur ; - les figures 5A et 5B sont deux vues de la partie haute de la pale et des éléments structurels internes du pivot supérieur; - la figure 5C est une vue en perspective de la pale et des éléments structurels internes de pivot dans un état assemblé ; - la figure 5D est une vue schématique en section transversale du pivot supérieur à l'état assemblé et montrant une variante de ses éléments structurels internes. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1A illustre une aube à calage variable 10 d'un redresseur de compresseur de turbomachine. L'aube 10 comporte une partie centrale formant pale 50 mobile en liaison pivot autour d'un axe de calage XX par rapport à une paroi de veine de turbomachine. L'aube 10 comporte aussi un pivot supérieur 20 et un pivot inférieur 21 gouvernés en rotation autour de l'axe XX par un organe de contrôle externe. L'aube 10 est prévue pour être disposée parmi d'autres aubes analogues dans une veine de turbomachine dans laquelle elle est soumise au flux d'air amont-aval F. Les termes 'amont' et 'aval' utilisés par la suite s'entendent par rapport au flux d'air à travers la turbomachine. Les termes 'supérieur', 'inférieur', 'avant' et 'arrière' désignent des éléments disposés respectivement en haut, en bas, à gauche et à droite sur les figures accompagnant la présente demande. Le pivot supérieur 20 est représenté vu de dessous en figure 1B. Le pivot 20 comporte une coiffe 30 et deux inserts ou éléments structurels internes 40a et 40b dont la structure et l'assemblage seront décrits ci-après, en référence à la figure 3A. La figure 2 représente la pale 50, en partie centrale de l'aube 10. La pale 50 comporte le profil aérodynamique 51 en partie intermédiaire. Une patte supérieure 52 et une patte inférieure 53 s'étendent du profil aérodynamique 51 en prolongement de celui-ci. Les pattes 52 et 53 sont monobloc et viennent de matière avec le profil aérodynamique 51. Avantageusement, la pale 50 est en matériau composite à fibres longues, par exemple mais non limitativement, un préimprégné en deux dimensions (pré-imprégné 2D) ou un tissé en trois dimensions (tissé 3D).

Dans l'exemple non limitatif représenté, chaque patte 52 et 53 est traversée entre deux surfaces parallèles respectives par deux orifices 54. Le nombre d'orifices 54 peut différer de deux, par exemple trois ou plus. La pale comporte ici deux épaulements 57, chacune disposée en partie haute du profil aérodynamique 51, dans le prolongement de celui-ci, à l'amont et à l'aval de la patte 52. Dans l'exemple représenté non limitatif, le profil aérodynamique 51 est pourvu sur son bord d'attaque 56 d'un organe de protection métallique 55. Ce dernier 55 est ici une plaquette métallique repliée de part et d'autre de l'arête avant 56 en s'étendant depuis celle-ci sur une distance donnée.

La figure 3A illustre les deux éléments structurels internes 40a et 40b du pivot 20. Dans un premier mode de réalisation, les éléments 40a et 40b sont injectés séparément, puis assemblés sur la patte supérieure 52. Dans ce premier mode de réalisation, les éléments 40a et 40b existent en tant que pièces détachables de la pale 50.

Les éléments 40a et 40b sont donc représentés isolément de la pale 50 en figure 3A pour une raison de lisibilité. Ici, l'élément 40a comporte une base 42a en forme de portion de disque, et une languette 44a reliée à la base 42a par un congé 48. De même, l'élément 40b comporte une base 42b et une languette 44b reliée à la base 42b par un congé. Des pions de liaison 46 relient la languette 44a à la languette 44b. Ici, les pions 46 viennent de matière avec l'un des éléments 40a ou 40b. En variante, sans sortir du cadre de l'invention, d'autres structures (par exemple le choix d'angles de dépouille) ou d'autres organes de liaison que les pions 46 sont prévus sur ou entre les éléments 40a et 40b et/ou la pale 50 pour empêcher la dissociation des éléments 40a et 40b d'avec la pale 50. En variante non limitative, les pions de liaison 46 sont métalliques et permettent l'assemblage des deux éléments structurels internes des pivots lors du montage.

La figure 3B illustre deux éléments structurels internes 41a et 41b du pivot inférieur 21. Dans le premier mode de réalisation, les éléments 41a et 41b sont injectés successivement séparément, puis assemblés sur la patte inférieure 53. Dans ce premier mode de réalisation, les éléments 41a et 41b existent en tant que pièces détachables de la pale 50. Les éléments 41a et 41b sont donc représentés isolément de la pale 50 en figure 3B pour une raison de lisibilité. Dans l'exemple représenté, ces éléments 41a et 41b sont chacun en forme de portion de disque. Des pions de liaison 46 relient les éléments 41a et 41b. Les pions 46 viennent de matière avec l'un des éléments 41a et 41b. Comme précédemment, les pions de liaison 46 peuvent être métalliques et rapportés à l'assemblage. En variante, d'autres structures (par exemple le choix d'angles de dépouille) ou d'autres organes de liaison que les pions 46 sont prévus pour empêcher la dissociation des éléments 41a et 41b d'avec la pale 50 sans sortir du cadre de l'invention. La figure 5A illustre la partie haute de la pale 50 sur laquelle l'élément 40b est assemblé par collage sur une première surface 520 de la patte 52. Les pions de liaison 46 traversent les orifices 54 et leur extrémité respective 460 est donc en saillie de la deuxième surface 521 opposée à la première surface 520. La figure 5B illustre la même partie haute de la pale 50 après une deuxième étape d'assemblage par collage de l'élément complémentaire 40a sur la deuxième surface 521, recouvrant les extrémités saillantes 460 des pions 46. Enfin, la figure 5C illustre la pale 50 dans son ensemble après assemblage successif des éléments internes 41a et 41b sur la patte inférieure 53. Avantageusement, les éléments internes 40a, 40b, 41a et 41b sont réalisés dans un matériau de type compound, c'est-à-dire un matériau à fibres courtes avec matrice organique. Dans un deuxième mode de réalisation, les éléments internes 40a, 40b (respectivement 41a et 41b) sont injectés simultanément sur la patte 52 (respectivement la patte 53). Les bases 42a et 42b et les épaulements 57 forment conjointement un pied 22, ici en forme de disque. Les languettes 44a et 44b et la patte 52, forment une tige 23. Le disque 22 et la tige 23 forment ici la structure interne ou le corps du pivot supérieur 20. La tige 23 présente en figure 3 une forme cylindrique à section transversale circulaire. En variante non limitative, la section du pied 22 et/ou de la tige 23 peut être différente, par exemple polygonale et plus particulièrement de forme carrée comme illustré en figure 5D. Les éléments 41a, 41b et la patte inférieure 53 forment un pied 24, ici en forme de disque. Le disque 24 forme ici la structure interne ou le corps du pivot inférieur 21. La géométrie des structures internes de pivot (c'est-à-dire du pied 22 et de la tige 23 d'une part, et du pied 24 d'autre part) est choisie pour empêcher toute dissociation entre les éléments 40a, 40b, 41a et 41b et la pale 50. La géométrie respective des éléments 40a, 40b, 41a et 41b et de la pale 50 est optimisée de manière à maximiser la surface de collage et/ou la répartition des efforts. La figure 4A et la figure 4C illustrent la coiffe 30 du pivot supérieur 20.

La coiffe 30 comporte une couronne 32, une platine 33, une portion tubulaire 34 et une tige 35, jointes deux à deux dans cet ordre selon la direction de l'axe XX' de la coiffe 30. La couronne 32 et la platine 33 délimitent conjointement un logement 37 de forme complémentaire à la forme du disque 22. La portion tubulaire 34 comporte un logement interne 38 communiquant avec le logement 37. Le logement 38 est de forme complémentaire à celle de la tige 23. Ainsi, la coiffe 30 est destinée à recouvrir le corps de pivot formé par le disque 22 et la tige 23. Ici, deux méplats 36, par exemple parallèles l'un à l'autre, mais non limitativement, sont ménagés sur la coiffe 30 (voir figure 4C). Ces deux méplats 36 forment des surfaces métalliques de contact pour l'organe de contrôle externe. La coiffe 30 est solidaire en rotation avec le disque 22 et la tige 23 afin de permettre la mise en rotation de l'aube 10 par l'organe de contrôle. D'autres structures de contrôle en rotation de l'aube 10 peuvent être envisagées en variantes non représentées. Un filetage 39 est prévu ici sur la surface extérieure de la tige 35 pour une liaison de type vis-écrou avec l'organe de contrôle. La figure 4B illustre la coiffe 31 du pivot inférieur 21. La coiffe 31 comporte une couronne 62, une platine 63 et une tige 65, jointes deux à deux dans cet ordre selon la direction de l'axe XX" de la coiffe 31. La couronne 62 et la platine 63 forment conjointement un logement 67 de forme complémentaire à la forme du disque 24. La coiffe 31 est ainsi destinée à recouvrir le corps de pivot formé par le disque 24. La coiffe 31 est solidaire en rotation avec le disque 24. Les coiffes 30 et 31 sont ici entièrement métalliques. Le métal des coiffes est par exemple mais non limitativement choisi parmi le titane, les aciers ou l'aluminium. Les axes XX' et XX" sont confondus avec l'axe de calage général de l'aube XX. L'aube 10 comportant les composants élémentaires décrits ci-dessus est assemblée selon un premier procédé de fabrication décrit ci-dessous de manière non limitative.

La pale 50, les éléments structurels internes 40a, 40b, 41a et 41b et les coiffes 30 et 31 sont fabriqués séparément les uns des autres puis les éléments internes 40a, 40b, 41a et 41b sont assemblés sur la pale 50 par collage et/ ou emboîtement. Dans un deuxième procédé de fabrication, les deux éléments 40a et 40b ou 41a et 41b d'un même corps de pivot sont injectés simultanément. Dans un troisième procédé de fabrication, pour le pivot supérieur 20, un premier élément parmi 40a et 40b est injecté sur la patte 52, puis le deuxième. La même méthode s'applique pour le pivot inférieur 21 avec l'un puis l'autre parmi les éléments 41a et 41b. L'ordre d'injection des éléments 40a, 40b, 41a et 41b est non limitatif.

En fin de premier, deuxième ou troisième procédé de fabrication, les coiffes 30 et 31 sont montées sur le corps de pivot approprié 22 et 23 ou 24 par collage, par montage serré sous presse ou par tout autre procédé. En variante aux deuxième et troisième procédés de fabrication, la structure interne de chaque pivot 20 ou 21 peut être directement injectée en une seule pièce dans la coiffe appropriée 30 ou 31 alors que la patte correspondante 52 ou 53 est en place. Il suffit pour cela, de réaliser une opération de moulage à partir d'une configuration dans laquelle la coiffe et la pale positionnées dans un moule approprié et d'injecter le matériau de structure interne à l'intérieur du moule à travers un orifice d'injection.20

Claims

REVENDICATIONS1 Aube à calage variable pour redresseur de compresseur, l'aube (10) comportant une pale (50) et au moins un pivot (20 ; 21), le pivot (20 ; 21) comportant un élément interne de pivot (40a, 40b ; 41a, 41b) et une coiffe de pivot (30 ; 31), la pale (50) et l'élément interne de pivot (40a, 40b ; 41a, 41b) étant réalisés chacun en un matériau composite, au moins une surface de contact (36, 39) de la coiffe de pivot (30 ; 31) étant métallique.
2. Aube selon la revendication 1, l'élément interne de pivot (40a, 40b ; 41a, 41b) étant assemblé sur une patte (52 ; 53), la patte (52 ; 53) étant réalisée monobloc et venant de matière avec la pale (50).
3. Aube à calage variable selon l'une des revendications 1 ou 2, la pale (50) étant réalisée en un premier matériau composite, l'élément interne de pivot (40a, 40b ; 41a, 41b) étant réalisé en un deuxième matériau composite distinct du premier matériau composite.
4. Aube selon la revendication 3, le premier matériau composite étant un matériau à fibres longues, par exemple de type préimprégné 2D ou tissé 3D.
5. Aube selon l'une des revendications 3 ou 4, le deuxième matériau composite étant un matériau à fibres courtes et à matrice organique.
6. Aube selon l'une des revendications 1 à 5, la coiffe de pivot (30 ; 31) étant entièrement métallique.
7. Aube selon l'une des revendications 1 à 6, la pale (50) comportant un profil aérodynamique (51) pourvu d'un bord d'attaque intégré (55).
8. Aube selon l'une des revendications 1 à 7, en combinaison avec la revendication 2, l'élément interne de pivot (40a, 40b ; 41a, 41b) étant injecté sur la patte (52 ; 53).
9. Aube selon l'une des revendications 1 à 7, en combinaison avec la revendication 2, l'élément interne de pivot (40a, 40b ; 41a, 41b) étant collé sur la patte (52 ; 53).
10. Procédé de fabrication d'une aube à calage variable selon l'une des revendications 1 à 9, comportant les étapes suivantes : - assemblage de l'élément interne de pivot (40a, 40b ; 41a, 41b) sur une patte (52 ; 53) de la pale (50) ; - montage de la coiffe (30 ; 31) sur la patte (52 ; 53).
11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, l'élément interne de pivot (40a, 40b ; 41a, 41b) étant injecté sur la patte (52 ; 53) avant montage de la 2 0 coiffe (30 ; 31) sur la patte (52 ; 53).
12. Procédé de fabrication selon la revendication 10, l'élément interne de pivot (40a, 40b ; 41a, 41b) étant injecté sur la patte (52 ; 53) après montage de la coiffe (30 ; 31) sur la patte (52 ; 53). 25
13. Procédé de fabrication selon la revendication 10, l'élément interne de pivot (40a, 40b ; 41a, 41b) étant un insert rapporté et/ou collé sur la patte (52 ; 53).
14. Turbomachine comportant une aube à calage variable selon l'une des revendications 1 à 9, l'aube étant mobile en liaison pivot par rapport à une paroi de veine de la turbomachine.