FR3017650B1 - Aube de redresseur pour moteur a turbine a gaz a structure hybride - Google Patents
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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 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 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 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 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 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 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.
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 ayant une âme de rigidification qui est noyée dans un matériau composite de surmoulage. L'aube de redresseur selon l'invention est remarquable en ce qu'elle présente une architecture hybride composée d'une âme de rigidification qui est noyée par surmoulage dans un matériau composite. La présence d'une telle âme joue le rôle de renfort au sein de l'aube de redresseur, ce renfort assurant une optimisation de la topologie de l'aube en fonction du type d'aube de redresseur utilisée (aube de redresseur aérodynamique, structurelle ou non structurelle) et des contraintes qu'elle subit en fonctionnement. De plus, cette âme de rigidification permet de pouvoir disposer d'un large choix lors de la conception de l'aube de redresseur, et notamment d'augmenter l'inertie mécanique et la raideur globale de l'aubage tout en limitant la masse de l'aube de redresseur. L'âme de rigidification peut comprendre une pluralité de tiges indépendantes qui s'étendent dans le sens longitudinal et/ou dans le sens transversal de l'aubage. Dans le sens longitudinal, ces tiges sont positionnées dans la hauteur de l'aubage parallèlement au bord de fuite et au bord d'attaque de celui-ci de sorte à augmenter la raideur locale de l'aubage. La présence de tiges dans l'aubage permet également d'optimiser le chemin des efforts subis par l'aubage et d'atténuer les déformations en mode de vibratoire de celle-ci L'âme de rigidification peut comprendre un treillis formé par un assemblage de tiges. En particulier, la forme d'un tel treillis pourra être définie en fonction des sollicitations exercées sur l'aubage, notamment en suivant la surface courbe ou gauche de celui-ci.
Les tiges peuvent présenter une section droite qui est circulaire, carrée ou rectangulaire et être réalisées en matériau composite ou en matériau métallique. L'aube de redresseur peut comporter en outre un primaire d'adhésion appliqué sur des zones de contact entre l'âme de rigidification et le matériau composite de surmoulage. La présence d'un tel primaire d'adhésion permet d'améliorer l'adhésion entre la résine du matériau composite de surmoulage et l'âme de rigidification. L'âme de rigidification peut être réalisée à partir d'un tissu préimprégné de résine, d'un tissu unidirectionnel, d'une plaque en matériau composite, d'une préforme en matériau composite, d'un textile, d'une tresse, ou d'un tissé 2D, 2,5D ou 3D. Cette âme de rigidification pourra être mise en forme pour respecter le profil aérodynamique de l'aube de redresseur. L'invention a également pour objet une turbomachine comprenant au moins une aube de redresseur telle que définie précédemment. L'invention a encore pour objet un procédé de réalisation d'une aube de redresseur telle que définie précédemment, comprenant la réalisation d'une âme de rigidification et le surmoulage de l'âme de rigidification par un procédé de moulage à l'aide d'une résine thermoplastique ou thermodurcissable.
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 : - les figures IA à IC sont des vues en perspective d'aubes de redresseur selon différentes variantes de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'une aube de redresseur montrant un exemple de zones sollicitées de l'aubage d'une aube de redresseur ; et - les figures 3A à 3C sont des vues en perspective d'aubes de redresseur selon d'autres variantes de réalisation de l'invention dans lesquelles la forme de l'âme permet de répondre aux sollicitations de l'aubage de la figure 2.
Description détaillée de l'invention L'invention s'applique à la réalisation d'aubes de redresseur pour moteur aéronautique à turbine à gaz.
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.
Les figures IA à IC représentent de façon schématique et en perspective des exemples 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.
Conformément à l'invention, l'aubage 4 de l'aube de redresseur 2 comprend une âme de rigidification qui est noyée dans un matériau composite de surmoulage.
Dans l'exemple de réalisation de la figure IA, l'âme de rigidification de l'aubage comprend deux tiges 10a qui s'étendent dans le sens longitudinal de l'aubage (c'est-à-dire dans la hauteur de l'aubage entre les deux plateformes intérieure 6 et extérieure 8 de l'aube de redresseur). L'une des tiges 10a est plus précisément positionnée parallèlement au bord d'attaque 12 de l'aubage et voisinage de celui-ci, tandis que l'autre tige est positionnée parallèlement au bord de fuite 14 de l'aubage et voisinage de celui-ci. La présence de tiges s'étendant dans le sens longitudinal permet ainsi d'augmenter la raideur locale de l'aubage.
Dans l'exemple de réalisation de la figure IB, l'âme de l'aubage comprend cinq tiges 10b qui s'étendent également dans le sens longitudinal de l'aubage, dont deux d'entre elles sont positionnées au voisinage du bord d'attaque 12 et du bord de fuite 14 de l'aubage.
Dans l'exemple de réalisation de la figure IC, l'âme de l'aubage comprend trois tiges 10c qui s'étendent toutes dans le sens transversal de l'aubage, c'est-à-dire entre le bord d'attaque 12 et le bord de fuite 14 de celui-ci.
Dans ces exemples de réalisation des figures IA à IC, le nombre de tiges varie en fonction des sollicitations mécaniques et les contraintes aérodynamiques appliquées sur l'aubage.
De plus, dans ces exemples de réalisation, les tiges lOa-lOc formant l'âme de l'aubage ne sont pas reliées les unes aux autres (elles sont indépendantes). Il est bien entendu possible d'envisager que ces tiges soient assemblées les unes aux autres pour former un treillis comme représenté sur les exemples de réalisation des figures 3A à 3C.
La forme et la nature (composite ou métallique) d'un tel treillis formant l'âme de rigidification de l'aubage est définie en fonction des sollicitations exercées sur l'aubage, notamment en suivant la surface courbe ou gauche de celui-ci.
En particulier, la figure 2 schématise deux exemples de zones 16 au niveau du bord d'attaque 12 et du bord de fuite 14 de l'aubage pour lesquelles les sollicitations exercées en fonctionnement sur l'aubage sont importantes (le nombre de zones pourrait être différent).
Pour répondre à ces sollicitations, le treillis formant l'âme de l'aubage peut prendre une forme telle que celles représentées par les figures 3A à 3C. Plus précisément, le treillis possédera une forme en adéquation avec ces zones de sollicitations afin de rigidifier localement l'aubage et ainsi diminuer le niveau de contrainte tout en limitant la prise de masse de l'aube de redresseur.
Ainsi, dans l'exemple de réalisation de la figure 3A, le treillis 20a formant l'âme de rigidification de l'aubage 4 comprend cinq tiges (à savoir deux tiges longitudinales 22a et trois tiges transversales 24a) qui sont assemblées les unes aux autres.
Dans l'exemple de réalisation de la figure 3B, le treillis 20b formant l'âme de rigidification comprend six tiges (à savoir deux tiges longitudinales 22b, deux tiges transversales 24b et deux tiges en diagonale 26b) qui sont assemblées les unes aux autres.
Enfin, dans l'exemple de réalisation de la figure 3C, le treillis 20c formant l'âme de rigidification comprend plusieurs tiges longitudinales 22c, transversales 24c et en diagonale 26c qui sont assemblées les unes aux autres.
Bien entendu, il est possible d'envisager encore d'autres formes du treillis qui constitue l'âme de rigidification (par exemple en forme de H, de 4, de K, etc.), la topologie du treillis permettant ainsi de créer un gradient de propriétés mécaniques. De la sorte, il est possible de dessiner de multiples variantes de topologies de treillis en fonction du type d'aube de redresseur et des contraintes aérodynamiques exercées sur celles-ci (profil, taille, position de l'aube de redresseur dans le moteur, etc.).
Dans les exemples de réalisation des figures IA à IC, les tiges lOa-lOc de l'âme de rigidification ont une section droite sensiblement circulaire et constante sur toute leur longueur. Bien entendu, ces tiges pourraient avoir une autre section (par exemple rectangulaire ou carrée comme dans les exemples de réalisation des treillis des figures 3A à 3C) et ne pas être constantes sur toute leur hauteur.
Par ailleurs, quelque soit le mode de réalisation, les tiges de l'âme de rigidification peuvent être réalisés en matériau composite ou en matériau métallique.
Dans le cas de tiges ou d'un treillis métalliques, ceux-ci seront par exemple réalisés en inox, titane, TiAI, aluminium, etc. et seront obtenues par fonderie, par moulage sous pression, par moulage de métal à l'état semi-solide (appelé thixomoulage®), par usinage dans la masse, par extrusion, par laminage ou par toute autre technique appropriée.
Dans le cas de tiges ou d'un treillis en matériau composite, ceux-ci seront par exemple réalisées en fibres de verre, carbone, céramique, etc. enrobées ou associées à une résine thermodurcissable ou thermoplastique et seront obtenues par pultrusion, par extrusion, par enroulement filamentaire, par moulage par injection, par estampage, drapage, découpe de plaques pré-consolidées, ou par toute autre technique appropriée.
Par ailleurs, dans d'autres modes de réalisation non représentés, l'âme de rigidification de l'aubage est réalisée à partir d'un tissu préimprégné de résine (dit « prépreg »), d'un tissu unidirectionnel (UD), d'une plaque en matériau composite, d'une préforme en matériau composite, d'un textile, d'une tresse, ou d'un tissé bidimensionnel (2D), multidirectionnel (3D) ou d'un tissé quasi plan dit interlock ou 2,5D (correspondant à un tissé 3D avec un faible nombre de couches liées entre elles).
Quant au matériau composite de surmoulage, il consiste en une résine thermoplastique ou thermodurcissable qui est appliquée sur l'âme par surmoulage. A cet effet, l'âme de rigidification est positionnée dans un outillage d'injection et maintenue en place dans celui-ci pendant l'opération d'injection de résine proprement dite. L'injection de résine pourra se faire selon un procédé dit de « moulage par injection » ou par un procédé dit de « moulage par injection/compression » comme décrits en détails dans la demande de brevet française n° 13 57485 déposée le 29 juillet 2013 par la Demanderesse. Alternativement, l'injection de résine pourra se faire par un procédé connu de compression de type thermo-compression, de compression SMC (pour « Sheet Molding Compound ») ou d'injection BMC (pour « Bulk Molding Compound »).
La résine thermoplastique ou thermodurcissable 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 thermoplastique ou thermodurcissable 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 de redresseur une protection contre l'érosion.
La résine thermoplastique pourra être une résine obtenue à partir de polysulfure de phénylène (PPS) et/ou de polyétherimide (PEI) et/ou de la famille des polyaryléthercétones (PAEK), et/ou polyamide (PA) et/ou polyamide-imide (PAI) et/ou polyéthersulfone (PES), polyimide (PI), etc. Quant à la résine thermodurcissable, il pourra s'agir d'une résine appartenant par exemple à la famille des époxydes ou des bismaléimides.
Selon une disposition avantageuse commune à l'ensemble des modes de réalisation préalablement décrits, un primaire d'adhésion est appliqué sur des zones de contact entre l'âme de rigidification et le matériau composite de surmoulage afin d'améliorer l'adhésion entre la résine du matériau composite de surmoulage et l'âme de rigidification. Des exemples de primaire d'adhésion sont notamment, seuls ou en association, des vernis, peintures, traitements de type plasma, foulardage, flammage, etc.
Claims (7)
- REVENDICATIONS1. Aube de redresseur (2) pour moteur à turbine à gaz, comprenant un aubage (4) ayant une âme de rigidification (lOa-lOc) qui est noyée dans un matériau composite de surmoulage, l'âme de rigidification comprenant un treillis (20a-20c) formé par un assemblage de tiges (22a-22c, 24a-24c, 26b-26c).
- 2. Aube de redresseur selon la revendication 1, dans laquelle les tiges présentent une section droite qui est circulaire, carrée ou rectangulaire.
- 3. Aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle les tiges sont réalisées en matériau composite ou en matériau métallique.
- 4. Aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre un primaire d'adhésion appliqué sur des zones de contact entre l'âme de rigidification et le matériau composite de surmoulage.
- 5. Aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le matériau composite de surmoulage est obtenu par surmoulage de l'âme de rigidification avec une résine thermoplastique ou thermodurcissable.
- 6. Turbomachine comprenant au moins une aube de redresseur (2 ; 2' ; 2") selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
- 7. Procédé de réalisation d'une aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant la réalisation d'une âme de rigidification et le surmoulage de l'âme de rigidification par un procédé de moulage à l'aide d'une résine thermoplastique ou thermodurcissable.
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