FR3027948A1

FR3027948A1 - Anneau d'helice en materiau composite pour une turbomachine

Info

Publication number: FR3027948A1
Application number: FR1460505A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Emile Philippe Tajan; Charles-Henri Michel Marie Derrez; Anthony Lafitte; Pecheur Cyril Roger Yves Le
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-05-06
Anticipated expiration: 2034-10-31
Also published as: US10378368B2; GB2534445B; US20160123162A1; GB2534445A; GB201519267D0; FR3027948B1

Abstract

L'invention concerne un anneau d'hélice (10) de turbomachine comprenant un corps annulaire (11) sensiblement coaxial avec un axe principal (A) et une pluralité de logements radiaux (12) uniformément répartis autour de l'axe principal (A), chaque logement radial (12) étant configuré pour recevoir un pied (14) d'une pale (P), le corps annulaire (11) étant réalisé dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère et comportant en outre une pluralité d'inserts métalliques (20) configurés pour recevoir chacun le pied (14) d'une pale (P), lesdits inserts métalliques (20) étant ancrés dans le matériau composite du corps annulaire (11).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des anneaux d'hélices de turbomachine à pales à calage variable. Elle trouve notamment avantageusement application dans le cas des hélices non carénées (en anglais" open rotor" ou" unducted fan "). ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE On a représenté sur la figure 1 une turbomachine 1 du type à hélices non carénées. Elle comporte d'amont en aval, dans le sens de l'écoulement du flux d'air représenté par les flèches F, un compresseur 2, une chambre annulaire de combustion 3, une turbine haute pression 6, et deux turbines basse-pression 8 contrarotatives. Chaque turbine basse-pression 8 est solidaire d'une hélice externe 9, les deux hélices étant disposées coaxialement l'une derrière l'autre autour d'un axe longitudinal A de la turbomachine 1 et comportant chacune une pluralité de pales P régulièrement réparties autour dudit axe. A cet effet, chaque hélice est fixée sur un anneau 10 comprenant classiquement (figure 2) un corps annulaire de rotor 11 généralement polygonal (connu sous la terminologie de Polygonal Ring en anglais), centré sur l'axe longitudinal A de la turbomachine et présentant une série de logements cylindriques radiaux 12, répartis régulièrement autour de l'axe A, prévus pour recevoir les pales de l'hélice. Chaque logement 12 reçoit en outre une couronne sur laquelle se fixe le corps d'une platine adaptée pour recevoir le pied 14 d'une pale P. Cette couronne est montée rotative dans le logement 12 qui la reçoit, ce qui permet d'ajuster l'orientation angulaire de la pale P. De manière conventionnelle, les corps annulaires 11 sont réalisés dans des matériaux métalliques tels que le titane en raison de sa faible densité et de ses bonnes propriétés mécaniques. En effet, le corps annulaire 11 subit des efforts tangentiels et axiaux très importants sous l'effet des charges centrifuges en raison notamment de son très grand diamètre (environ 1600 mm). Il est donc important que le corps annulaire soit capable de résister mécaniquement aux charges qui lui sont appliquées. Toutefois, les corps annulaires 11 actuels restent relativement lourds. Il a déjà été proposé de réaliser le corps annulaire 11 dans un matériau composite du type renfort fibreux densifié par une matrice. On pourra notamment se référer au document FR 2 992 677, au nom de la Demanderesse, qui décrit l'existence de tels anneaux. Certes, ces corps annulaires présentent un gain de masse très important en comparaison avec les corps métalliques conventionnels. Toutefois, en pratique, la faible continuité des fibres du matériau composite dans le corps annulaire ne permet pas d'obtenir un anneau d'hélice suffisamment résistant mécaniquement pour supporter les chargements centrifuges lorsque la turbomachine est en fonctionnement.

RESUME DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est donc de remédier aux problèmes rencontrés avec les anneaux d'hélices de l'état de la technique, en proposant une structure d'anneau d'hélice présentant un gain de masse significatif par rapport à l'art antérieur et qui soit en outre capable de résister mécaniquement aux déformations dues aux chargements centrifuges. Pour cela, l'invention propose un anneau d'hélice de turbomachine comprenant un corps annulaire sensiblement coaxial avec un axe principal et une pluralité de logements radiaux uniformément répartis autour de l'axe principal, chaque logement radial étant configuré pour recevoir un pied d'une pale. Le corps annulaire est réalisé dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère et comporte en outre une pluralité d'inserts métalliques configurés pour recevoir chacun le pied d'une pale, lesdits inserts métalliques étant ancrés dans le matériau composite du corps annulaire. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de l'anneau d'hélice décrit ci-dessus sont les suivantes : - des fibres du renfort fibreux du matériau composite présente une orientation préférentielle sensiblement parallèle à une direction tangentielle de l'anneau d'hélice, - l'insert métallique est cylindrique de révolution ou conique, - l'insert métallique est cylindrique de révolution et comprend en outre une protubérance annulaire, ladite protubérance annulaire étant noyée dans le matériau composite, - chaque logement comprend une partie radialement externe configurée pour recevoir un pied de pale et une partie radialement interne, 10 opposée à la partie radialement externe, la protubérance annulaire s'étendant à proximité de la partie radialement externe, - l'insert métallique présente une section sensiblement allongée selon une direction tangentielle de l'anneau d'hélice, - le renfort fibreux comprend des fibres en carbone, verre, aramide ou 15 céramique, la matrice comprend un polymère du type époxyde, bismaléim ide ou polyimide et l'insert est réalisé en titane, et - le corps annulaire est de forme polygonale. Selon un deuxième aspect, l'invention propose également une hélice 20 comprenant un anneau d'hélice comme décrit ci-dessus et des pales, logées dans les logements radiaux de l'anneau d'hélice. Selon un troisième aspect, l'invention propose aussi une turbomachine à pales à calage variable, comprenant un anneau d'hélice 25 comme décrit ci-dessus. De manière optionnelle, l'hélice peut être non carénée. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention 30 apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure 1 est une représentation schématique générale d'une turbomachine à hélices non carénées, La figure 2 illustre schématiquement d'un anneau d'hélice polygonal, La figure 3 est une représentation en vue en coupe partielle d'un module hélice d'un open rotor (ou soufflante non carénée) conventionnel, La figure 4a est une vue tridimensionnelle d'un premier exemple de réalisation d'un secteur de corps annulaire d'un anneau d'hélice, La figure 4b est une vue en coupe du secteur de corps annulaire de la figure 4a, La figure 5a est une vue tridimensionnelle d'un deuxième exemple de réalisation d'un secteur de corps annulaire d'un anneau d'hélice, La figure 5b est une vue en coupe du secteur de corps annulaire de la figure 5a, La figure 5c est une vue du dessus du secteur de corps annulaire de la figure 5a, La figure 6a est une vue tridimensionnelle d'un troisième exemple de réalisation d'un secteur de corps annulaire d'un anneau d'hélice, La figure 6b est une vue en coupe du secteur de corps annulaire de la figure 6a, et La figure 6c est une vue du dessus du secteur de corps annulaire de la figure 6a. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Une hélice 9 et un anneau d'hélice 10 de turbomachine 1 à pales P à calage variable conformes à l'invention vont à présent être décrits. Un anneau d'hélice 10 conforme à l'invention comprend, de manière connue en soi et comme précédemment décrit en référence aux figures 1 à 3 annexées, un corps annulaire 11 de rotor, centré sur l'axe A longitudinal de la turbomachine 1 et présentant une série de logements radiaux 12 répartis régulièrement autour de l'axe A. Chaque logement radial 12 est prévu pour recevoir un palier 13 d'une pale P associée de l'hélice 9, ce qui permet d'ajuster l'orientation angulaire de la pale P. A cet effet, chaque palier 13 peut comprendre des roulements logés dans une bague de roulement interne et une bague de roulement externe de forme circulaire. Ici, le corps annulaire 11 de rotor est de forme polygonale. Il comprend des parties de réception 11b configurées pour recevoir les logements radiaux 12, reliées entre elles par des parties inter-pales P. Chaque partie inter-pales Peut comprendre deux bras 11a sensiblement parallèles et positionnés de part et d'autre des logements radiaux 12 (comme illustré sur la figure ), ou un bras 11a unique s'étendant de manière centrale entre deux logements adjacents (comme visible sur les secteurs illustrés en figures 4a à 6c). Ceci n'est cependant pas limitatif, le corps annulaire 11 pouvant présenter toute forme adaptée, par exemple une forme circulaire. Afin d'obtenir des gains de masse significatifs tout en conservant une résistance mécanique importante, le corps annulaire 11 est réalisé dans un matériau composite et comporte une pluralité d'inserts métalliques 20, logés dans le matériau composite et configurés chacun pour recevoir le pied 14 d'une pale P. Typiquement, les bras 11a inter-pales P et les parties de réception llb peuvent être formées dans le matériau composite, les inserts étant ancrés dans un logement formé à cet effet dans les parties de réception llb du corps annulaire 11.

Le matériau composite peut par exemple comprendre un renfort fibreux densifié par une matrice polymère. Typiquement, le renfort fibreux peut comprendre des fibres, notamment en carbone, verre, aramide ou céramique, tandis que la matrice est typiquement une matrice polymère, par exemple époxyde, bismaléimide ou polyimide. Il apparaît en effet qu'une matrice polymère est capable de résister à l'environnement thermique d'un anneau 10 d'hélice.

On pourra notamment se référer au document FR 2 913 053 pour la réalisation du corps annulaire 11 en matériau composite. En particulier, le document FR 2 913 053 propose de former le renfort fibreux par un enroulement en couches superposées sur un mandrin d'une texture fibreuse obtenue par tissage tridimensionnel avec épaisseur évolutive. De préférence, les fibres du renfort fibreux du matériau composite présentent une orientation préférentielle sensiblement parallèle à une direction tangentielle de l'anneau 10 d'hélice, afin de reprendre au mieux les efforts centrifuges appliqués au corps annulaire 11. Par direction tangentielle, on comprendra ici une direction s'étendant suivant un axe tangent à une surface radialement externe du corps annulaire 11 qui s'étend dans un plan perpendiculaire à l'axe A. L'insert métallique 20 peut par ailleurs être réalisé en titane en raison de sa faible densité et de sa bonne résistance mécanique. En comparaison avec les anneaux d'hélice 10 de l'art antérieur, le corps annulaire 11 présente une densité plus faible grâce à la mise en oeuvre du matériau composite. Par ailleurs, l'ancrage d'inserts métalliques 20 dans le matériau composite au niveau des logements radiaux 12 permet d'assurer une continuité suffisante des fibres du matériau composite pour garantir la tenue mécanique de l'anneau d'hélice 10 et de reprendre efficacement les efforts au niveau du roulement des pieds 14 de pale P tout en répartissant les charges dans le corps annulaire 11 via le matériau composite. Enfin, les inserts métalliques 20 sont simples à réaliser : ils peuvent en effet être usinés séparément et avec précision puis rapportés dans la partie du corps annulaire 11 qui est en matériau composite, le cas échéant avec les paliers 13 et les bagues de roulement des pieds 14 de pale P.

Par exemple, les inserts métalliques 20 peuvent être directement intégrés dans le matériau composite lors de sa réalisation. Pour cela, le renfort fibreux peut par exemple être enroulé et densifié par la matrice alors que les inserts métalliques 20 sont déjà en place sur le mandrin, ce qui garantit le bon positionnement et un maintien optimal des inserts métalliques 20 dans le matériau composite.

Selon une première forme de réalisation illustrée sur les figures 4a et 4b, les inserts métalliques 20 peuvent présenter une forme sensiblement cylindrique de révolution autour d'un axe X, par exemple une forme sensiblement tubulaire, ou une forme sensiblement conique. Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures, un insert métallique 20 selon la première forme de réalisation présente une partie radialement externe 22 de forme sensiblement tubulaire et présentant un premier diamètre externe, et une partie radialement interne 24 de forme sensiblement tubulaire, coaxiale avec la partie radialement externe 22 et présentant un deuxième diamètre externe. Le deuxième diamètre externe est plus grand que le premier diamètre externe afin de former un épaulement 23 et permettre ainsi l'ancrage radial de l'insert métallique 20 dans le matériau composite. Dans cette forme de réalisation, une surface radialement externe 21 de l'insert métallique 20 affleure la surface radialement externe de la partie du corps annulaire 11 réalisée en matériau composite. Une telle forme de réalisation permet d'obtenir un insert métallique 20 facile à réaliser avec une bonne reprise des efforts au niveau des paliers 13. Toutefois, la géométrie de l'interface entre l'insert métallique 20 et la partie en matériau composite du corps annulaire 11 dans laquelle il est ancré peut engendrer des pressions de contact trop importantes pour le matériau composite. Il est alors possible d'adapter la géométrie du corps annulaire 11 en matériau composite de sorte que l'épaisseur de matière s'étendant autour de l'insert soit continue et constante. Par exemple, il est possible de réaliser un enroulement circulaire autour de l'insert métallique 20 puis d'effectuer un changement de direction du renfort fibreux afin de former le bras 11a inter-pales P adjacent et d'obtenir une orientation tangentielle des fibres entre deux inserts métalliques 20 adjacents.

Selon une deuxième forme de réalisation illustrée en figures 5a-5c, l'insert métallique 20 peut présenter une forme sensiblement cylindrique de révolution ou une forme conique, et comprendre une protubérance annulaire 25, noyée dans le matériau composite. De manière analogue à la première forme de réalisation, l'insert métallique 20 présente une partie radialement externe 22 et une partie radialement interne 24 présentant chacune une forme sensiblement tubulaire de diamètre différent afin de former un épaulement 23 pour l'ancrage radial de l'insert métallique 20 dans le matériau composite. La protubérance annulaire 25 est par ailleurs coaxiale à l'insert métallique 20 et s'étend depuis sa partie radialement externe 22. La protubérance annulaire 25 peut présenter une épaisseur évolutive entre la partie radialement externe 22 et son extrémité libre 26, qui s'étend à distance de la partie radialement externe 22 de l'insert métallique 20. Par exemple, l'épaisseur de la protubérance peut être plus grande à proximité de la partie radialement externe 22 qu'au niveau de son extrémité libre. Ici, la protubérance annulaire 25 présente par exemple une section sensiblement conique, dont la partie la plus large (base du cône) s'étend entre la surface radialement externe du corps annulaire 11 jusqu'à l'épaulement 23. La protubérance annulaire 25 forme un organe anti-arrachement capable de distribuer les efforts centrifuges à la partie en matériau composite du corps annulaire 11 via des efforts de matage plutôt que des efforts de cisaillement. La mise en oeuvre d'une telle protubérance 25 permet, d'une part, de répartir des efforts transmis par l'insert métallique 20 au matériau composite, et d'autre part d'assurer la présence d'une quantité de matière importante au-dessus de la protubérance annulaire 25. Ici encore, il est possible d'adapter la géométrie du corps annulaire 11 en matériau composite de sorte que l'épaisseur de matière s'étendant autour de l'insert soit continue et constante, par exemple en réalisant un enroulement circulaire autour de l'insert métallique 20 puis d'effectuer un changement de direction du renfort fibreux pour former le bras 11a inter-pales P adjacent. Toutefois, en comparaison avec la première forme de réalisation dans laquelle l'insert annulaire est sensiblement dépourvu de protubérance annulaire 25, l'interface entre l'insert métallique 20 et le corps annulaire 11 en matériau composite est plus complexe à réaliser en raison de la présence de la protubérance et la continuité de matière entre l'insert métallique 20 et le matériau composite est plus difficile à assurer au niveau de cette interface.

Ici encore, la surface radialement externe 21 de l'insert métallique 20 affleure la surface radialement externe de la partie du corps annulaire 11 réalisée en matériau composite. Selon une troisième forme de réalisation illustrée en figures 6a-6c, l'insert métallique 20 peut être de forme sensiblement allongée dans la direction tangentielle de l'anneau d'hélice 10. La géométrie du corps annulaire 11 en matériau composite est adaptée de sorte que l'épaisseur de matière s'étendant autour de l'insert soit continue et constante. Ceci est notamment permis par la forme sensiblement allongée dans la direction zo tangentielle de l'insert métallique, qui permet de réduire les angles d'attaque (1,l entre les fibres du matériau composite et la paroi externe de l'insert métallique 20 lors de l'enroulement du renfort fibreux autour de l'insert métallique 20 et lors du changement de direction permettant de former les bras 11 inter-pales P. Grâce à cette amélioration de la continuité des fibres 25 dans le matériau composite, la tenue du matériau composite et sa sensibilité à l'arrachement hors plan et/ou sa résistance à la délamination est améliorée. Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures, l'insert métallique 20 comprend une partie radialement externe 22 une partie 30 radialement interne 24 de forme sensiblement cylindrique. En variante, l'insert métallique 20 peut également être conique.

La partie radialement externe 22 est légèrement plus grande que la partie radialement interne 24 afin de définir un épaulement 23 permettant l'ancrage de l'insert métallique 20 dans le matériau composite. De préférence, la partie radialement externe 22 et la partie 5 radialement interne 24 présentent chacune une plus grande dimension dans la direction tangentielle de l'anneau 10 que dans la direction axiale de celui-ci, afin de réduire les excès de matériau composite suivant la direction tangentielle du corps annulaire 11. Typiquement, la partie radialement externe 22 et la partie radialement interne 24 peuvent présenter une section 10 sensiblement ovoïde. L'épaisseur de matériau composite au voisinage de l'insert métallique 20 peut alors être sensiblement constante, ce qui permet d'assurer une bonne continuité des fibres et donc d'améliorer la résistance mécanique du corps annulaire 11. Toutefois, en comparaison avec la première forme de réalisation, 15 l'interface entre l'insert métallique 20 et le corps annulaire 11 en matériau composite est plus complexe à réaliser et la continuité de matière entre l'insert métallique 20 et le matériau composite est plus difficile à assurer au niveau de cette interface.

20 Le corps annulaire 11 peut être réalisé d'un seul tenant. En variante, le corps annulaire 11 peut comprendre plusieurs secteurs d'anneau 10x formés séparément qui sont ensuite assemblés afin de former le corps annulaire 11, comme illustré sur les figures 4a à 6c. Typiquement, le corps annulaire 11 peut comprendre autant de secteurs d'anneau 10x que de 25 logements radiaux 12, par exemple entre 8 et 13, ici une douzaine. Les gains de masse pouvant être obtenus grâce aux trois formes de réalisation illustrées sur les figures 4a à 6c peuvent atteindre de 10% à 50% du poids total initial, en comparaison avec un anneau 10 d'hélice 30 conventionnel réalisé en titane. Par ailleurs, la forme du corps annulaire 11 et l'introduction d'un insert métallique 20 permettent l'adaptation des techniques spécifiques propres aux matériaux composites.

Claims

REVENDICATIONS1. Anneau d'hélice (10) de turbomachine comprenant un corps annulaire (11) sensiblement coaxial avec un axe principal (A) et une pluralité de logements radiaux (12) uniformément répartis autour de l'axe principal (A), chaque logement radial (12) étant configuré pour recevoir un pied (14) d'une pale (P), l'anneau d'hélice (10) étant caractérisé en ce que le corps annulaire (11) est 10 réalisé dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère et comporte en outre une pluralité d'inserts métalliques (20) configurés pour recevoir chacun le pied (14) d'une pale (P), lesdits inserts métalliques (20) étant ancrés dans le matériau composite du corps annulaire (11). 15
2. Anneau d'hélice (10) selon la revendication 1, dans lequel des fibres du renfort fibreux du matériau composite présente une orientation préférentielle sensiblement parallèle à une direction tangentielle de l'anneau d'hélice. 20
3. Anneau d'hélice (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'insert métallique (20) est cylindrique de révolution ou conique.
4. Anneau d'hélice (10) selon la revendication 3, dans lequel l'insert 25 métallique (20) est cylindrique de révolution et comprend en outre une protubérance annulaire (25), ladite protubérance annulaire (25) étant noyée dans le matériau composite.
5. Anneau d'hélice (10) selon la revendication 4, dans lequel chaque 30 logement comprend une partie radialement externe (22) configurée pour recevoir un pied (14) de pale (P) et une partie radialement interne (24),opposée à la partie radialement externe (22), la protubérance annulaire (25) s'étendant à proximité de la partie radialement externe (22).
6. Anneau d'hélice (10) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'insert métallique (20) présente une section sensiblement allongée selon une direction tangentielle de l'anneau d'hélice (10).
7. Anneau d'hélice (10) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le renfort fibreux comprend des fibres en carbone, verre, aramide ou 10 céramique, la matrice comprend un polymère du type époxyde, bismaléim ide ou polyim ide et l'insert est réalisé en titane.
8. Anneau d'hélice (10) selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le corps annulaire (11) est de forme polygonale. 15
9. Hélice (9) comprenant un anneau d'hélice (10) selon l'une des revendications 1 à 8 et des pales (P), logées dans les logements radiaux (12) de l'anneau d'hélice (10). 20
10. Turbomachine (1) à pales (P) à calage variable, comprenant un anneau d'hélice (10) selon l'une des revendications 1 à8.
11. Turbomachine (1) selon la revendication 10, dans laquelle l'hélice (9) est non carénée. 25