FR3049002A1 - Pale de turbomachine aeronautique comprenant un element rapporte en materiau composite formant bord de fuite et procede de fabrication d'une telle pale - Google Patents

Pale de turbomachine aeronautique comprenant un element rapporte en materiau composite formant bord de fuite et procede de fabrication d'une telle pale Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une pale (3) de turbomachine aéronautique comprenant : un corps de pale (4) en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, ledit corps s'étendant transversalement entre un premier bord correspondant au bord d'attaque de la pale et un deuxième bord (12), et un élément rapporté (13) en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, ledit élément rapporté présentant en section transversale un profil effilé et étant collé sur le deuxième bord (12) du corps de pale (4) de manière à former un bord de fuite sur ledit corps (4). L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une telle pale.

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des pales en matériau composite pour turbomachines aéronautiques. La présente invention concerne plus particulièrement une pale (ou aube) de turbomachine aéronautique en matériau composite, sur laquelle un élément rapporté en matériau composite est collé pour former un bord de fuite. Généralement, les pales d'une hélice peuvent être fabriquées en alliage métallique ou en matériau composite. Pour réduire la masse du moteur, il est connu d'utiliser des pales en matériau composite. En effet, les matériaux composites présentent une tenue mécanique satisfaisante en comparaison avec les alliages métalliques utilisés précédemment, tout en étant plus légers que ces derniers.
Cependant, lors de leur fabrication, les pales (ou les aubes dans le cas d'une soufflante d'un turboréacteur) en matériau composite doivent être usinées pour obtenir un profil aérodynamique qui se rapproche le plus possible du profil théorique désiré. En effet, les pales sont souvent fabriquées par des procédés de moulage par injection d'une résine dans un renfort fibreux, et les moules utilisés ne permettent pas d'obtenir exactement les formes et dimensions voulues pour la pale. En particulier, les pales en matériau composite présentent, après leur fabrication, un bord de fuite qui est souvent trop épais, et dont le profil s'éloigne du profil théorique effilé qu'il devrait présenter.
Un bord de fuite trop épais ou tronqué entraîne des modifications indésirables de l'aérodynamisme de la pale et une source supplémentaire de bruit pour le moteur. En effet, lorsque le profil du bord de fuite s'éloigne de son profil théorique effilé, il occasionne des pertes par sillage importantes.
Une solution à ce problème consiste à usiner le bord de fuite après la fabrication de la pale. Toutefois, une telle solution est coûteuse, nécessite de nombreuses passes d'usinage à cause de la complexité de la forme des pales, et est difficilement répétable.
Il existe donc un besoin pour disposer d'une pale pour turbomachine aéronautique en matériau composite qui ne présente pas les inconvénients précités, ainsi que d'un procédé permettant de fabriquer une telle pale.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant une pale pour turbomachine en matériau composite qui présente un bord de fuite affiné ou effilé, afin de limiter notamment les pertes par sillage en aval de la pale.
Ce but est atteint avec une pale de turbomachine aéronautique comprenant : un corps de pale en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, ledit corps s'étendant transversalement entre un premier bord correspondant au bord d'attaque de la pale et un deuxième bord, et un élément rapporté en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, ledit élément rapporté présentant en section transversale un profil effilé et étant collé sur le deuxième bord du corps de pale de manière à former un bord de fuite sur ledit corps.
La pale selon l'invention peut par exemple être utilisée dans une hélice fixe ou rotative d'un turboréacteur ou d'un turbopropulseur, à soufflante carénée ou non.
Par « profil effilé », on entend qu'en section transversale, l'épaisseur globale de l'élément rapporté diminue progressivement en s'éloignant du deuxième bord du corps de pale. L'extrémité de l'élément rapporté opposée au deuxième bord peut être sensiblement pointue. En d'autres termes, l'élément rapporté peut s'affiner à mesure que l'on s'éloigne du deuxième bord.
La pale selon l'invention est remarquable en ce qu'elle peut présenter un profil aérodynamique qui se rapproche du profil aérodynamique théorique souhaité pour une pale, notamment au niveau de son bord de fuite. Le corps de pale en matériau composite peut être fabriqué par des procédés connus, sans nécessiter une précision accrue au niveau du deuxième bord destiné à devenir le bord de fuite de la pale. Par exemple, lorsque le corps de pale est fabriqué par moulage par injection de résine dans un renfort fibreux, le deuxième bord n'est généralement pas suffisamment fin pour respecter le profil aérodynamique théorique de la pale et constituer un bord de fuite correct. Avec l'invention, au lieu d'usiner précisément le deuxième bord du corps de pale ou de chercher à augmenter la précision du procédé de fabrication du corps de pale, on peut au contraire disposer d'un deuxième bord usiné grossièrement sur lequel on vient coller un élément rapporté ayant un profil effilé. Ainsi, on peut obtenir un profil aérodynamique pour la pale qui se rapproche du profil théorique souhaité, et réduire les pertes aérodynamiques occasionnées par un bord de fuite trop épais ou irrégulier. L'élément rapporté en matériau composite de l'invention ne modifie sensiblement pas la masse globale de la pale, puisque le corps de pale et l'élément rapporté sont en matériau composite. L'utilisation d'un élément rapporté en matériau composite collé sur le deuxième bord ne pose pas de problème au niveau de l'interface de collage puisqu'ils sont tous deux en matériau composite. Ainsi, le risque décollement de l'élément rapporté peut être réduit, puisque la colle sera peu cisaillée pendant le fonctionnement de la turbomachine, notamment quand la pale est utilisée dans une hélice rotative.
Il peut toutefois être avantageux que le deuxième bord du corps de pale soit usiné grossièrement afin que l'élément rapporté puisse épouser au mieux le corps de pale. Le corps de pale peut présenter au voisinage du deuxième bord une forme de tenon, de façon à ce que ledit corps et l'élément rapporté puissent s'emboîter. L'élément rapporté peut présenter une section transversale sensiblement en V, la pointe du V étant la plus effilée possible. Le corps de pale et l'élément rapporté peuvent former une liaison du type tenon-mortaise. Ainsi, il peut y avoir une continuité entre les faces intrados et extrados du corps de pale, et l'élément rapporté, de façon à ne pas altérer l'aérodynamisme de la pale.
De préférence, le renfort fibreux du corps de pale présente un tissage tridimensionnel.
De préférence également, l'élément rapporté est formé à partir d'une préforme fibreuse sèche moulée par injection d'une résine de densification. Une préforme fibreuse sèche densifiée par une matrice par un procédé de moulage par injection présente une bonne tenue mécanique. En particulier, le renfort fibreux peut être noyé dans la matrice, ce qui permet une bonne répartition des efforts sur l'ensemble de l'élément rapporté en cas de contraintes mécaniques importantes. Un tel élément rapporté peut présenter des géométries complexes.
La préforme fibreuse sèche peut comprendre au moins une couche fibreuse présentant un tissage bidimensionnel. En variante, la préforme fibreuse sèche peut présenter un tissage tridimensionnel.
Dans un exemple de réalisation, le renfort fibreux de l'élément rapporté est obtenu à partir d'un empilement de plis de pré-imprégnés. Cette disposition présente l'avantage d'être aisée à mettre en œuvre industriellement.
La pale selon l'invention peut en outre comprendre un film de protection contre l'érosion en polyuréthane recouvrant le corps de pale et l'élément rapporté. Un tel film de polyuréthane permet de donner à la pale un état de surface lui conférant une bonne tenue à l'érosion.
Il peut être avantageux que l'élément rapporté présente une épaisseur sensiblement constante, pour rendre sa fabrication et sa mise en place plus aisée.
La pale selon l'invention peut par exemple constituer une pale d'hélice de turbopropulseur, une aube de soufflante de turboréacteur, ou encore une aube de redresseur. L'invention vise aussi une turbomachine comprenant une pale telle que celle décrite précédemment.
Enfin, l'invention vise encore un procédé de fabrication d'une pale de turbomachine aéronautique, le procédé comprenant au moins les étapes suivantes : la fabrication d'un corps de pale en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, ledit corps s'étendant transversalement entre un premier bord correspondant au bord d'attaque de la pale et un deuxième bord, la fabrication d'un élément rapporté en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, ledit élément rapporté présentant en section transversale un profil effilé, et le collage de l'élément rapporté sur le deuxième bord du corps de pale de manière à former un bord de fuite sur ledit corps.
De préférence, l'élément rapporté est fabriqué à partir d'une préforme fibreuse sèche moulée par injection d'une résine de densification, par exemple dans un moule ayant la forme de l'élément rapporté. Un tel procédé de moulage par injection de résine est aussi connu en anglais sous l'abréviation RTM pour « Resin Transfer Molding ».
En variante, la fabrication de l'élément rapporté peut comprendre l'empilement de plis de pré-imprégnés dans un outillage de compression.
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 un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 montre un turboréacteur à soufflante carénée, - la figure 2 montre une pale de soufflante selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe de la pale de la figure 3 au niveau de son bord de fuite, et - la figure 4 est un ordinogramme représentant les différentes étapes d'un procédé de fabrication d'une pale pour turbomachine aéronautique selon un mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de l'invention L'invention s'applique à la réalisation de pales pour turbomachines aéronautiques en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice. Elle s'applique indifféremment à des pales qui sont destinées à être fixes (par exemple dans un redresseur ou une hélice de redressement fixe) ou rotatives (par exemple dans une hélice propulsive ou une soufflante). Dans la suite, l'invention sera décrite dans son application à une pale de soufflante de turboréacteur.
La figure 1 montre de façon schématique un turboréacteur 1 du type à double corps et double flux, comprenant notamment une soufflante 2 carénée. La soufflante 2 comprend un ensemble de pales 3 (aussi appelées aubes) entraînées en rotation autour de l'axe X-X du turboréacteur. On s'intéresse ici aux pales 3 de la soufflante 2, dont une est montrée plus en détails sur les figures 2 et 3.
De façon connue en soi, la pale 3 comprend un corps de pale 4 ayant une face intrados 6 (figure 3) et une face extrados 8, le corps de pale 4 s'étendant transversalement entre un premier bord 10 correspondant au bord d'attaque de la pale 3, et un deuxième bord 12 situé à l'opposé du premier bord 10. Dans l'exemple illustré, le premier bord 10 est recouvert par un clinquant métallique 11 destiné à protéger la pale 3 en cas d'impacts.
Le corps de pale 4 est en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice. Le renfort fibreux du corps 4 peut présenter un tissage tridimensionnel, c'est-à-dire être obtenu à partir d'une préforme fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel. La matrice du corps 4 peut par exemple être céramique ou organique, et obtenue par exemple à partir d'une résine de densification.
Conformément à l'invention, un élément rapporté 13 est collé sur le corps de pale 4 au niveau du deuxième bord 12. Dans l'exemple illustré, l'élément rapporté 13 est directement collé sur le deuxième bord 12. L'élément rapporté 13 est en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice. On peut voir sur la figure 2 que l'élément rapporté 13 peut présenter une forme complexe qui épouse la forme du deuxième bord 12 de la pale. Dans l'exemple illustré, l'élément rapporté 13 s'étend longitudinalement sur toute la longueur du deuxième bord 12.
La figure 3 est une vue en coupe de la pale 3 de la figure 2 au niveau de son deuxième bord 12. Dans l'exemple illustré, le corps de pale 4 présente au voisinage du deuxième bord 12 une forme de tenon, pour permettre un meilleur accostage de l'élément rapporté 13 sur le corps 4. L'élément rapporté 16 présente ici une section transversale (c'est-à-dire dans le plan de la figure 3) en forme de V légèrement arrondi à son extrémité, de façon à avoir un profil effilé et à former un bord de fuite sur le corps de pale 4. Les deux branches du V peuvent prendre en étau le corps de pale 4 au niveau du deuxième bord 12. De la sorte, l'élément rapporté 13 s'étend de part et d'autre du corps 4, et recouvre ainsi une partie des deux faces intrados 6 et extrados 8 du corps 4. L'élément rapporté 13 et le corps 4 peuvent ainsi être assemblés selon une liaison du type tenon-mortaise. L'élément rapporté 13 est fixé sur le deuxième bord 12 par collage, un film de colle 14 est présent entre le corps 4 et l'élément rapporté 13.
Dans l'exemple illustré, l'élément rapporté 13 présente une épaisseur e constante, ce qui rend sa fabrication plus aisée. A titre d'exemple, l'épaisseur e de l'élément rapporté peut être comprise entre 0,8 mm et 1,5 mm. Le rayon de courbure interne peut être de 1 mm.
Sur la figure 3, on a représenté en pointillés le profil théorique 16 souhaité au niveau du bord de fuite de la pale 3. Ce profil 16 correspond au prolongement rectiligne dans un plan transversal des faces intrados 6 et extrados 8 du corps de pale 4, il est par conséquent pointu au niveau du bord de fuite. On peut voir qu'avec l'invention, l'élément rapporté 13 forme sur le deuxième bord 12 du corps de pale 4 un bord de fuite qui se rapproche du profil théorique 16.
Un ordinogramme représentant les différentes étapes d'un procédé de fabrication d'une pale 3 selon un mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 4.
Dans une première étape El, on fabrique un élément rapporté 13 en matériau composite. L'élément rapporté 13 peut être fabriqué de plusieurs manières.
Dans un procédé de fabrication préférentiel, l'élément 13 est fabriqué par moulage par injection de résine dans une préforme fibreuse sèche. Ce procédé est connu en anglais sous l'abréviation RTM pour « Resin Transfer Molding ». Pour cela, on dispose d'un moule d'injection ayant la forme de l'élément rapporté 13 dans lequel on positionne la préforme fibreuse sèche, puis on injecte une résine sous pression à l'intérieur du moule, on solidifie la résine et on extrait du moule l'élément 13 ainsi fabriqué.
Dans un autre procédé de fabrication, l'élément rapporté 13 est réalisé à partir d'un empilement de plis de tissus bidimensionnels pré-imprégnés de résine (ou « prepregs ») mis en forme et compactés dans un outillage de compression adapté. On procède ensuite à la solidification de la résine pour obtenir l'élément rapporté 13.
En variante, on peut également fabriquer l'élément rapporté 13 par les techniques connues de drapage automatique ou de dépose filamentaire.
Dans une deuxième étape E2, on fabrique le corps 4 destiné à recevoir l'élément rapporté 13. L'étape El et l'étape E2 peuvent être réalisées simultanément ou l'une après l'autre indifféremment.
Les renforts fibreux du corps 4 et de l'élément rapporté 13 peuvent comprendre des fibres de carbone, ou plus généralement des fibres céramiques. Les préformes fibreuses peuvent comprendre des tissus obtenus par tissage bidimensionnel, par exemple du type toile, sergé ou satin. On notera qu'il est également possible d'utiliser une préforme fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel.
La résine de densification utilisée dans le procédé de moulage par injection ou dans les plis de pré-imprégnés pourra être une résine thermodurcissable appartenant à la famille des époxydes, bismaléimides, polyimides, polyesters, vinylesters, cyanate esters, phénoliques, etc. Alternativement, la résine pourra être une résine thermoplastique du type polysulfure de phénylène (PPS), polysulfone (PS), polyéthersulfone (PES), polyamide-imide (PAI), polyétherimide (PEI), ou bien de la famille des polyaryléthercétones (PAEK) : PEK, PEKK, PEEK, PEKKEK, etc.
Une fois que le corps 4 a été fabriqué, il être usiné grossièrement au niveau de son deuxième bord (étape E3) pour que l'élément rapporté 13 puisse épouser le deuxième bord 12. Cet usinage préalable permet aussi d'éviter que l'élément rapporté 13 ne modifie le profil aérodynamique de la pale tout en assurant une continuité entre le corps 4 et l'élément rapporté 13 au niveau des faces intrados 6 et extrados 8. En d'autres termes, l'usinage permet que la surface externe de l'élément rapporté 13 opposée à la surface qui est collée, soit au même niveau que les faces 6, 8 du corps de pale 4.
Une couche de colle 14 est étalée dans une quatrième étape E4 sur le bord d'attaque 12 et les portions des faces 6, 8 du corps 4 qui vont accueillir l'élément rapporté 13. L'élément rapporté 13 est ensuite placé sur les zones enduites de colle pour être collé (étape E5). Selon le type de colle 14 utilisé, il pourra éventuellement être nécessaire de la solidifier. La colle pour former la couche de colle 14 peut être choisie par exemple parmi les colles époxy.
Afin de mieux protéger la pale 3 en matériau composite de l'érosion, il est enfin possible de recouvrir le corps 4 et l'élément rapporté 13 d'un film anti érosion 18. Un tel film anti-érosion peut par exemple être un film polyuréthane. Le film anti-érosion 18 peut être déposé par exemple par pulvérisation de polyuréthane liquide sur la pale 3, le polyuréthane étant ensuite solidifié, par exemple par polymérisation, pour former le film 18. En variante, le film anti-érosion 18 peut être directement déposé sous forme de film préfabriqué.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Pale (3) de turbomachine aéronautique (1) comprenant : un corps de pale (4) en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, ledit corps s'étendant transversalement entre un premier bord (10) correspondant au bord d'attaque de la pale et un deuxième bord (12), et un élément rapporté (13) en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, ledit élément rapporté présentant en section transversale un profil effilé et étant collé sur le deuxième bord (12) du corps de pale (4) de manière à former un bord de fuite sur ledit corps (4).
  2. 2. Pale selon la revendication 1, dans laquelle le renfort fibreux du corps de pale (4) présente un tissage tridimensionnel.
  3. 3. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle l'élément rapporté (13) est formé à partir d'une préforme fibreuse sèche moulée par injection d'une résine de densification.
  4. 4. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle le renfort fibreux de l'élément rapporté (13) est obtenu à partir d'un empilement de plis de pré-imprégnés.
  5. 5. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre un film de protection (18) contre l'érosion en polyuréthane recouvrant le corps de pale (4) et l'élément rapporté (13).
  6. 6. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l'élément rapporté (13) présente une épaisseur (e) sensiblement constante.
  7. 7. Pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la pale (3) constitue : une pale d'hélice de turbopropulseur, une aube de soufflante de turboréacteur, ou une aube de redresseur.
  8. 8. Turbomachine aéronautique (1) comprenant une pale (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
  9. 9. Procédé de fabrication d'une pale (3) de turbomachine aéronautique (1), le procédé comprenant au moins les étapes suivantes : la fabrication d'un corps de pale (4) en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, ledit corps s'étendant transversalement entre un premier bord (10) correspondant au bord d'attaque de la pale et un deuxième bord (12), la fabrication d'un élément rapporté (13) en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, ledit élément rapporté (13) présentant en section transversale un profil effilé, et le collage de l'élément rapporté (13) sur le deuxième bord (12) du corps de pale (4) de manière à former un bord de fuite sur ledit corps (4).
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'élément rapporté (13) est fabriqué à partir d'une préforme fibreuse sèche moulée par injection d'une résine de densification.
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