FR3056250A1 - Roue d'aube redresseuse en carter intermediaire - Google Patents

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Abstract

Roue d'OGV comprenant des aubes redresseuses (20) ayant chacune un pied d'aube et une tête d'aube, les pieds d'aubes étant fixés sur un moyeu (10) de la roue par des premiers moyens de liaison et les têtes d'aubes étant fixées sur une virole externe (18) de la roue par des seconds moyens de liaison, les premiers moyens de liaison comportant un plan d'appui solidaire du moyeu et une première contre-plaque destinée à être solidarisée au moyeu, les pieds d'aubes étant pris en sandwich entre le plan d'appui et la première contre-plaque et les seconds moyens de liaison comportent une seconde contre-plaque destinée à être solidarisée à la virole, les têtes d'aubes étant prises en sandwich entre la virole et la seconde contre-plaque.

Description

© N° de publication : 3 056 250 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction) (© N° d’enregistrement national : 16 58726 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE
COURBEVOIE © IntCI8
F01 D 9/04 (2017.01), F 01 D 5/30
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
©) Date de dépôt : 19.09.16. © Demandeur(s) : SAFRAN AIRCRAFT ENGINES
(30) Priorité : Société par actions simplifiée — FR.
@ Inventeur(s) : GOT MARC-ANTOINE ANATOLE et
ZACCARDI CEDRIC.
(43) Date de mise à la disposition du public de la
demande : 23.03.18 Bulletin 18/12.
(© Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux @ Titulaire(s) : SAFRAN AIRCRAFT ENGINES Société
apparentés : par actions simplifiée.
©) Demande(s) d’extension : © Mandataire(s) : CABINET BEAU DE LOMENIE.
Pty ROUE D'AUBE REDRESSEUSE EN CARTER INTERMEDIAIRE.
FR 3 056 250 - A1 Roue d'OGV comprenant des aubes redresseuses (20) ayant chacune un pied d'aube et une tête d'aube, les pieds d'aubes étant fixés sur un moyeu (10) de la roue par des premiers moyens de liaison et les têtes d'aubes étant fixéessur une virole externe (18) de la roue par des seconds moyens de liaison, les premiers moyens de liaison comportant un plan d'appui solidaire du moyeu et une première contre-plaque destinée à être solidarisée au moyeu, les pieds d'aubes étant pris en sandwich entre le plan d'appui et la première contre-plaque et les seconds moyens de liaison comportent une seconde contre-plaque destinée à être solidarisée à la virole, les têtes d'aubes étant prises en sandwich entre la virole et la seconde contre-plaque.
Figure FR3056250A1_D0001
Figure FR3056250A1_D0002
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine des moteurs d'aéronef, par exemple des turboréacteurs, et elle concerne plus particulièrement la fixation des aubes redresseuses (ou OGV pour « outlet guide vane ») entre un moyeu de carter intermédiaire et une virole externe de carter intermédiaire de ces moteurs en aval de leur soufflante, l'ensemble formant ce qu'il est convenu d'appeler une roue d'OGV en carter intermédiaire.
Dans de tels moteurs où un gain de poids est recherché, il est envisagé que les aubes redresseuses soient réalisées en matériau composite à matrice polymère renforcée par des fibres qui seraient par exemple tissées en trois dimensions (préforme tissée 3D), alors que les autres constituants de la roue, moyeu et virole externe, sont en général métalliques.
La roue d'OGV en carter intermédiaire, comme le montre la figure 6, comporte essentiellement un moyeu 10 avec des brides amont 12 et aval 14 reliées par des bras longitudinaux de liaison 16 et la virole externe 18. Les aubes redresseuses en composite 20 qui présentent schématiquement une forme en I pourraient être directement boulonnées d'une part aux brides 12, 14 de carter intermédiaire et d'autre part à la virole externe 18 de carter intermédiaire. Ces aubes redresseuses peuvent être structurales en ce sens que des efforts seraient transmis via les aubes entre la virole externe et le moyeu. Il pourrait alors se présenter, dans un tel arrangement de roue d'OGV, de nombreux inconvénients :
Tout d'abord, le perçage introduit une rupture des fibres de la préforme ayant pour conséquence un affaiblissement local. Lors de fortes contraintes, cette zone est souvent à l'origine d'une amorce de fissure qui se propage souvent jusqu'à rupture de la pièce.
Ensuite, la faible surface de contact sous la rondelle et la tête de vis combinée à un serrage important nécessaire pour la fixation engendre des pressions de matage très élevées. Le matériau fortement précontraint est alors affaibli dès la séquence de montage et lorsque le coefficient de friction n'est plus suffisant pour supporter les charges, la pièce composite vient en butée sur le fût de la vis. Elle travaille alors essentiellement en cisaillement, mode de déformation peu adapté au matériau composite.
L'endommagement potentiel peut, en outre, être accentué par la très faible surface de contact entre le fût de la vis et la partie de l'OGV en contact.
Ensuite encore, les modules de cisaillement d'un matériau composite, faible en comparaison avec un matériau métallique, ne permettent pas de garantir une diffusion spatiale suffisante des contraintes au-delà des zones de fixation. La répartition des contraintes y est donc fortement hétérogène dans la pièce puisque les efforts transitent de manière prédominante le long de « bandes » très étroites qui relient deux points de fixation. Les contraintes sont donc d'un niveau excessif dans ces « bandes » et particulièrement faibles en dehors (très fort gradient de contrainte), ce qui a un impact direct sur la tenue mécanique de la pièce (contrainte élevée) et sa raideur global (déformation importante entre les fixations).
Enfin, l'encastrement rigide ne permet pas de différencier les directions. En effet, les efforts transitant dans les aubes redresseuses sont généralement tridimensionnels. Néanmoins, la composante traction / compression (selon l'axe de l'aube) y est prédominante. Les caractéristiques de tenue mécanique sont orthotropes et dans le cas d'une préforme tissée 3D, sa tenue en traction peut être 5 fois plus élevée qu'en compression. Or, l'encastrement classique par boulonnage ne prend pas en compte cette particularité puisqu'il ne permet pas de charger les aubes redresseuses de manière différenciée entre traction et compression.
Il existe donc un besoin d'un mode de fixation différent de ces aubes redresseuses sur le moyeu et la virole externe de carter intermédiaire qui permette à la fois de conserver l'intégrité de la pièce composite et d'optimiser la transition des efforts en tenant compte des caractéristiques orthotropes du matériau composite en lui fournissant une sollicitation conforme à sa direction privilégiée.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant une roue d'OGV comprenant des aubes redresseuses ayant chacune une pale, un pied d'aube et une tête d'aube, lesdits pieds d'aubes étant fixés sur un moyeu de ladite roue par des premiers moyens de liaison et lesdites têtes d'aubes étant fixées sur une virole externe de ladite roue par des seconds moyens de liaison. Lesdits premiers moyens de liaison comportent un plan d'appui solidaire dudit moyeu et une première contre-plaque destinée à être solidarisée audit moyeu, lesdits pieds d'aubes étant pris en sandwich entre ledit plan d'appui et ladite première contre-plaque. Lesdits seconds moyens de liaison comportent une seconde contre-plaque destinée à être solidarisée à ladite virole, lesdites têtes d'aubes étant prises en sandwich entre ladite virole et ladite seconde contre-plaque.
Ainsi, en remplaçant la structure boulonnée traditionnelle par une structure en sandwich, on obtient une structure de liaison dont la masse est réduite par rapport à une roue d'OGV métallique, tout en permettant une meilleure répartition des charges et en conservant l'intégrité de l'aube (pas de perçage).
Avantageusement chacun desdits pieds d'aube et desdites têtes d'aube sont formés par deux demi-plateformes définissant sur toute la largeur de ladite pale des congés de raccordement reliant ladite pale et lesdites demi-plateformes.
De préférence, lesdites première et seconde contre-plaques comportent des bords latéraux incurvés destinés à épouser lesdits congés de raccordement.
Avantageusement lesdites première et seconde contre-plaques sont chacune formées en deux parties indépendantes associées chacune à une demi-plateformes de deux pales adjacentes de ladite roue.
De préférence, lesdites première et seconde contre-plaques sont communes à deux pales adjacentes de ladite roue.
Avantageusement, ledit plan d'appui et ladite virole devant recevoir respectivement lesdits pieds et têtes d'aubes sont recouverts d'un matériau élastomère ou d'un métal ou tout autre matériau analogue plus tendre qu'un matériau formant ladite contre-plaque.
Avantageusement, lesdites première et seconde contre-plaques sont fixés par boulons respectivement audit moyeu et à ladite virole.
De préférence, lesdites aubes sont réalisées en matériau composite à matrice polymère renforcée par des fibres tissées en trois dimensions. Avantageusement, les deux demi-plateformes sont alors issues d'une déliaison dans le tissage des fibres desdites aubes de sorte à définir sur toute la largeur de ladite pale et de part et d'autre de celle-ci des congés de raccordement reliant ladite pale et lesdites demiplateformes.
De préférence, ledit moyeu est un moyeu de carter intermédiaire et ladite virole une virole de carter intermédiaire (VCI).
L'invention concerne également tout moteur d'aéronef comportant une roue d'OGV telle que précitée.
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 est une vue en perspective d'un premier exemple de réalisation d'une roue d'OGV conforme à l'invention ;
- les figures 2 et 3 détaillent la plateforme de l'OGV ;
- la figure 4 est une vue selon le plan IV-IV de la figure 1 illustrant en détail le support de la plateforme de l'OGV ;
- la figure 5 est une vue en perspective d'un second exemple de réalisation d'une roue d'OGV conforme à l'invention ; et
- la figure 6 montre une structure de liaison d'une aube redresseuse dans une roue d'OGV selon l'art antérieur.
Description détaillée d'un mode de réalisation
Sur la figure 1 on retrouve un secteur de roue d'OGV en carter intermédiaire, formé d'un moyeu 10 avec ses deux brides 12,14 amont et aval, de la virole externe 18 de carter intermédiaire (cette virole pouvant être qualifiée de « VCI ») et des aubes redresseuses 20 solidarisées au moyeu et à ladite virole VCI par une structure de liaison conforme à l'invention. On notera toutefois que si cette figure représente de façon schématique une aube de redresseur en aval de soufflante, l'invention trouve aussi application aux aubes fixes par exemple d'un premier étage de compresseur.
Comme le montre le détail des figures 2 et 3, l'aube redresseuse 20 comprend une pale 200 s'étendant radialement par rapport à l'axe principal de la turbomachine et deux plateformes 202, 204 positionnées à chaque extrémité radiale de la pale, sensiblement perpendiculairement à celle-ci, chacune formant deux demi-plateformes 202A, 202B ; 204A, 204B de part et d'autre de la pale 200 (soit quatre au total en distinguant la plateforme en pied d'aube ou inférieure 202 et la plateforme en tête d'aube ou supérieure 204) et reliées à celle-ci par un congé de raccordement 206A, 206B ; 208A, 208B. Préférentiellement, ces deux demi-plateformes sont obtenues par déliaison de la préforme tissée 3D.
Selon l'invention, en pied d'aube 20, la fixation dans le carter intermédiaire est effectuée en prenant en sandwich chaque demiplateforme inférieure 202A, 202B entre un appui plan du moyeu, par exemple un bras longitudinal 16 situé entre les brides 12, 14, et une première contre-plaque 22 (illustrée à la figure 1), idéalement métallique. Le bras longitudinal 16 servant de renfort est par exemple vissé aux brides 12,14 (tel que représenté à la figure 4) mais en variante non représentée est de préférence sorti de fonderie avec lesdites brides. La contre plaque 22 est directement boulonnée aux brides 12,14 du moyeu. La fixation des demi-plateformes supérieures 204A, 204B à la virole de carter intermédiaire 18 est similaire avec une seconde contre-plaque également fixée par des boulons sur cette VCI. En l'espèce, comme le montre la figure 3, cette contre-plaque commune à deux aubes OGV adjacentes peut être remplacée par deux contre-plaques 24A, 24B, plus petites et chacune dédiée à une demi-plateforme particulière d'OGV.
Les contre-plaques comportent des bords latéraux dont la forme incurvée est conçue de manière à épouser le congé de raccordement 206A, 206B ; 208A, 208B. Cela confère une amélioration significative des propriétés de raideur et de tenue mécanique de l'OGV. Le contact continue entre les deux pièces tout le long de la corde de l'aube permet une répartition optimale des efforts, et donc de faire travailler l'intégralité de la section de l'OGV.
Comme le montre la coupe de la figure 4, une couche d'un matériau élastomère 26 est de préférence intercalée entre la plateforme inférieure 202 de l'OGV et l'appui plan 16 du moyeu. Les demi-plateformes 202A, 202B sont ainsi prises en sandwich entre la première contre-plaque métallique à la raideur élevée fixée par boulons 28 sur les brides amont et aval du moyeu et une couche de caoutchouc moins raide, de préférence collé sur l'appui plan, et conférant ainsi une dissymétrie dans le comportement de l'OGV en traction/compression. Grâce à cette configuration de montage, l'effort se répartit de manière naturelle au sein de la roue OGV prioritairement vers les aubes redresseuses sollicitées en traction (dont le contact aube/contre-plaque est raide) plutôt que vers celles sollicitées en compression (dont le contact avec le caoutchouc est plus tendre). La répartition des efforts dépend directement des caractéristiques géométriques (fonction de la souplesse recherchée, de l'état de précontrainte souhaité et du niveau d'usure estimé, ...) et du matériau choisi (raideur, taux de viscoélasticité, dureté, ...), en fonction des propriétés mécanique de l'OGV (tenue mécanique en traction et compression principalement).
Ainsi, si l'on suppose que le ratio entre le seuil de contrainte à rupture en traction (Rmt) et le seuil de contrainte à rupture en compression (Rmc) vaut R, il convient de choisir la raideur de l'élastomère de manière à ce que l'effort vu par l'OGV sollicité en compression soit au plus 1/R fois l'effort vu par l'OGV sollicité en traction, ce qui impose un rapport de R entre la raideur en traction et celle en compression de l'OGV. En compression et afin de respecter le principe exposé ci-dessus, la souplesse de l'élastomère s'ajoutant à celle de l'OGV, la raideur de l'élastomère est alors égale à Kt/(R-1) où Kt est la raideur de l'OGV seul en traction.
On notera toutefois que le matériau élastomère peut être remplacé par un métal ou tout autre matériau « plus tendre » que celui de la contre-plaque. Ainsi, par exemple, si la contre-plaque est en acier trempé, l'appui plan pourra être en acier ordinaire. La terminologie « plus tendre » s'entend d'une dureté et/ou d'une raideur inférieure.
Ce type de fixation permet de solliciter la préforme tissée 3D constamment dans la même direction (dans la longueur de la pale). Un ratio chaîne/trame, uniforme dans toute la préforme, est alors de préférence choisi en privilégiant le sens chaîne simplifiant d'autant les étapes de tissage et de mise en forme tout en engendrant des gains de coûts de fabrication importants.
De même que le premier matériau élastomère 26 intercalé entre les plateformes inférieures et le moyeu, une couche d'un second matériau élastomère 30, identique ou non au premier et dont le dimensionnement sera effectuée comme précédemment, peut également être intercalée entre la plateforme supérieure 204 de l'OGV 20 et la VCI18 (voir la figure
3). Du fait de sa nature de paroi externe, il pourra aussi être pris en compte une éventuelle tenue de la VCI aux produits chimiques (huile carburant, pluies acides,...).
Précédemment, il a été fait souvent référence à une aube OGV de la roue, cette aube ayant une seule pale. Le nombre de ces aubes dans ladite roue peut être plus ou moins grand, par exemple une douzaine d'aubes à trois douzaines d'aubes.
La figure 5 illustre une roue munie d'un doublet d'OGV à préforme unique. Le doublet d'OGV composite est en effet composé d'une unique préforme 40 formant un O. Les contre-plaques 42, 44 qui sont alors communes à deux pales adjacentes sont placées dans la zone inter OGV d'un même doublet de pales, permettant de diviser par 2 leur nombre, ce qui procure un gain de masse important. En outre, la continuité de la préforme, qui ne présente alors pas la déliaison nécessaire à la réalisation des demi-plateformes de part et d'autre de l'aube (chaque aube ne comportant alors plus qu'une demi-plateforme dans le prolongement de la pale et venant à la rencontre de la demi-plateforme correspondante de l'aube adjacente), permet de renforcer la résistance mécanique de l'OGV.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Roue d'OGV comprenant des aubes redresseuses (20 ; 40) ayant chacune une pale (200), un pied d'aube (202) et une tête d'aube (204), lesdits pieds d'aubes étant fixés sur un moyeu (10) de ladite roue par des premiers moyens de liaison et lesdites têtes d'aubes étant fixées sur une virole externe (18) de ladite roue par des seconds moyens de liaison, caractérisée en ce que lesdits premiers moyens de liaison comportent un plan d'appui (16) solidaire dudit moyeu et une première contre-plaque (22 ; 42) destinée à être solidarisée audit moyeu, lesdits pieds d'aubes étant pris en sandwich entre ledit plan d'appui et ladite première contreplaque et en ce que lesdits seconds moyens de liaison comportent une seconde contre-plaque (24A, 24B ; 44) destinée à être solidarisée à ladite virole, lesdites têtes d'aubes étant prises en sandwich entre ladite virole et ladite seconde contre-plaque.
  2. 2. Roue d'OGV selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacun desdits pieds d'aube et desdites têtes d'aube sont formés par deux demiplateformes (202A, 202B ; 204A, 204B) définissant sur toute la largeur de ladite pale des congés de raccordement (206A, 206B ; 208A, 208B) reliant ladite pale et lesdites demi-plateformes.
  3. 3. Roue d'OGV selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites première et seconde contre-plaques comportent des bords latéraux incurvés destinés à épouser lesdits congés de raccordement.
  4. 4. Roue d'OGV selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites première et seconde contre-plaques sont chacune formées en deux parties indépendantes (24A, 24B) associées chacune à une demi-plateforme de deux pales adjacentes de ladite roue.
  5. 5. Roue d'OGV selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites première et seconde contre-plaques sont communes à deux pales adjacentes de ladite roue.
  6. 6. Roue d'OGV selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit plan d'appui et ladite virole devant recevoir respectivement lesdits pieds et têtes d'aubes sont recouverts d'un matériau élastomère (26, 30).
  7. 7. Roue d'OGV selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit plan d'appui et ladite virole devant recevoir respectivement lesdits pieds et têtes d'aubes sont recouvert d'un métal ou tout autre matériau analogue plus tendre qu'un matériau formant ladite contre-plaque.
  8. 8. Roue d'OGV selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que lesdites première et seconde contre-plaques sont fixés par boulons (28) respectivement audit moyeu et à ladite virole.
  9. 9. Roue d'OGV selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que lesdites aubes sont réalisées en matériau composite à matrice polymère renforcée par des fibres tissées en trois dimensions.
  10. 10. Roue d'OGV selon la revendication 9 prise en combinaison avec l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les deux demi-plateformes (202A, 202B ; 204A, 204B) sont issues d'une déliaison dans le tissage des fibres desdites aubes de sorte à définir sur toute la largeur de ladite pale et de part et d'autre de celle-ci des congés de raccordement (206A, 206B ; 208A, 208B) reliant ladite pale et lesdites demi-plateformes.
  11. 11. Roue d'OGV selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que ledit moyeu est un moyeu de carter intermédiaire (10) et ladite virole une virole de carter intermédiaire (VCI18).
  12. 12. Moteur d'aéronef comportant une roue d'OGV selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.
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