FR3082877A1 - Aube a structure hybride pour turbomachine - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une aube (34) destinée à être agencée dans un flux d'air de turbomachine, l'aube comprenant une plateforme radialement interne, une plateforme radialement externe, ainsi qu'une pale qui s'étend entre les plateformes radialement interne et externe. L'aube est caractérisée en ce qu'elle comprend un corps (50) en un matériau composite et une armature métallique (41) qui est intégrée dans le corps (50), l'armature métallique (41) ayant un élément central en forme de X avec deux bras radialement internes qui s'étendent jusqu'à la plateforme radialement interne et deux bras radialement externes qui s'étendent jusqu'à la plateforme externe, les bras radialement internes étant reliés entre eux par un bras de liaison interne qui s'étend dans la plateforme interne et les bras radialement externes étant reliés entre eux par un bras de liaison externe qui s'étend dans la plateforme externe.
Description
AUBE À STRUCTURE HYBRIDE
POUR TURBOMACHINE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines d'aéronef à double flux et concerne plus particulièrement la conception des aubes agencées dans tout ou partie d'un flux d'air d'une soufflante de la turbomachine.
Il s'agit de préférence d'aubes directrices, notamment d'aubes directrices de sortie, également dénommées OGV (de l'anglais « Outlet Guide Vane »), prévues pour redresser le flux d'air en sortie de la soufflante. Mais il pourrait également s'agir d'aubes directrices d'entrée (dénommées IGV de l'anglais « Inlet Guide Vane ») ou d'aubes à calage variable (dénommées VSV de l'anglais « Variable Stator Vane »).
L'invention concerne de préférence un turboréacteur d'aéronef équipé de telles aubes. Elle concerne également un procédé de fabrication d'une telle aube.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les turbomachines conventionnelles à double flux sont notamment équipées d'un carter intermédiaire, ce carter comprenant un moyeu, une virole extérieure et au moins un ensemble d'aubes directrices de sortie. Cet ensemble est également appelé roue ou stator et est situé en aval de la soufflante. Ces aubes directrices de sortie ont une fonction aérodynamique, car elles doivent assurer l'aérodynamisme de la turbomachine en permettant de redresser le flux d'air sortant de la soufflante, afin de le redresser dans la veine de flux secondaire de la turbomachine.
Dans certaines turbomachines, ces aubes directrices de sortie ont également une fonction structurale, c'est-à-dire qu'elles participent à la tenue des charges vues par le carter intermédiaire (suspension du moteur, poussée, moment aérodynamique, etc.). Les aubes directrices de sortie ayant une fonction structurale sont fixées à la fois sur la virole extérieure et sur le moyeu.
Pour remplir ces deux fonctions aérodynamique et structurale, les aubes directrices de sortie sont généralement réalisées à l'aide d'un matériau métallique, par exemple en aluminium ou dans l'un de ses alliages. Pour leur fabrication, des blocs de matière individuels sont réalisés, puis usinés pour amener chacune des aubes aux côtes souhaitées.
Les aubes, et notamment les aubes directrices, comportent une plateforme radialement interne au niveau de leur pied, une plateforme radialement externe au niveau de leur tête, ainsi qu'une pale, qui s'étend entre la plateforme radialement interne et la plateforme radialement externe. La pale est une partie aérodynamique de redressement de flux et présente un profil aérodynamique. Les plateformes, quant à elles, permettent une reconstitution d'une veine aérodynamique de la turbomachine.
Afin que le flux secondaire soit redressé au mieux, les aubes directrices de sortie peuvent présenter, pour certaines d'entre elles, des pales différentes. A titre d'exemple indicatif, au sein d'un même ensemble d'aubes directrices de sortie, il peut être prévu plus de six pales différentes (donc plus de six profils aérodynamiques différents), le choix de la pale (et du profil) étant conditionné par la position angulaire de l'aube dans le canal secondaire de la turbomachine. Il est noté que la variation du profil aérodynamique des pales des aubes peut avoir des conséquences importantes sur la forme des plateformes radialement internes et externes, agencées respectivement de part et d'autre des pales. Pour éviter que l'usinage de ces plateformes ne conduise à des pertes de matière trop conséquentes, les blocs de matière primaire sont généralement fabriqués à des dimensions au plus proche des dimensions finales.
Si cette solution permet en effet de réduire les pertes de matière primaire, elle génère cependant un nombre élevé de pièces brutes avec des références différentes, ce qui complique le processus global de fabrication des aubes directrices de sortie.
Pour pallier ces inconvénients, la Demanderesse a déposé la demande de brevet FR 3 021 690, qui décrit un procédé de fabrication d'une aube directrice de sortie à structure hybride comprenant une pale métallique équipée, au moins à l'une de ses extrémités radiales, d'une plateforme pour la reconstitution d'une veine aérodynamique de la turbomachine, cette plateforme étant surmoulée sur l'extrémité radiale de la pale métallique. Ce procédé permet de réaliser des aubes ayant des profils aérodynamiques tridimensionnels déterminés en utilisant un nombre limité de pièces puisqu'on adapte, sur une pale réalisée avec le profil attendu, les plateformes souhaitées.
La Demanderesse a souhaité améliorer davantage ce procédé de fabrication, de manière à obtenir une aube (de préférence une aube directrice) à fonction structurale favorisant un chemin d'effort pertinent dans les interfaces avec les pièces voisines de l'aube (moyeu et virole extérieure). Plus particulièrement, la Demanderesse a souhaité améliorer le procédé de fabrication, afin d'obtenir une aube permettant de reprendre un maximum d'effort pour un poids réduit.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention a pour objet une aube destinée à être agencée dans un flux d'air de turbomachine, l'aube comprenant une plateforme radialement interne, une plateforme radialement externe, ainsi qu'une pale qui s'étend entre les plateformes radialement interne et externe.
L'aube comprend :
- un corps en un matériau composite ; et
-une armature métallique qui est intégrée dans le corps, l'armature métallique ayant un élément central en forme de X avec deux bras radialement internes qui s'étendent jusqu'à la plateforme radialement interne et deux bras radialement externes qui s'étendent jusqu'à la plateforme externe, les bras radialement internes étant reliés entre eux par un bras de liaison interne qui s'étend dans la plateforme interne et les bras radialement externes étant reliés entre eux par un bras de liaison externe qui s'étend dans la plateforme externe.
De préférence, l'armature métallique est monobloc.
De préférence, l'aube est une aube directrice, préférentiellement une aube directrice de sortie.
De préférence, l'armature métallique est réalisée en aluminium ou en l'un de ses alliages.
De préférence, le bras de liaison interne comprend des protubérances s'étendant radialement dans la plateforme radialement interne.
De préférence, le bras de liaison externe comprend des protubérances s'étendant radialement dans la plateforme radialement externe.
En d'autres termes, les protubérances des bras de liaison interne et/ou externe peuvent s'étendre dans une épaisseur de leur plateforme respective.
De préférence, les protubérances sont munies de trous, destinés à coopérer avec des éléments de fixation pour fixer l'aube dans une veine de la turbomachine.
L'invention a également pour objet un ensemble d'aubes pour turbomachine, ledit ensemble comprenant une pluralité d'aubes selon l'invention, au moins deux desdites aubes ayant des pales de formes différentes. En d'autres termes, au moins deux des aubes ont des pales ayant des profils aérodynamiques différents. Ces aubes peuvent également présenter des plateformes différentes.
L'invention a également pour objet un carter intermédiaire de turbomachine comprenant un moyeu, une virole extérieure, ainsi qu'un ensemble d'aubes selon l'invention, ledit ensemble étant agencé radialement entre le moyeu et la virole extérieure.
L'invention porte également pour objet une turbomachine, de préférence un turboréacteur, comprenant un carter intermédiaire selon l'invention.
L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'une aube selon l'invention, comprenant les étapes successives suivantes :
a) la réalisation de l'armature métallique, de préférence par usinage d'un bloc de matière ; et
b) la réalisation du corps en matériau composite ;
l'étape b) comprenant :
- la formation d'au moins une préforme fibreuse autour de l'armature métallique, l'introduction d'une résine thermoplastique ou thermodurcissable dans la préforme et la polymérisation de la résine ; ou
-la formation, autour de l'armature métallique, d'au moins une préforme fibreuse réalisée à l'aide de fibres, qui sont préimprégnées d'une résine thermoplastique ou thermodurcissable, et la polymérisation de la résine.
Enfin, l'invention porte sur un procédé de fabrication d'un ensemble d'aubes selon l'invention, dans lequel chaque aube de l'ensemble est réalisée par mise en œuvre du procédé de fabrication d'une aube tel que décrit ci-dessus. De préférence, la réalisation des armatures métalliques de toutes les aubes de l'ensemble est effectuée à partir de blocs de matière de mêmes formes. De préférence, les armatures métalliques de toutes les aubes de l'ensemble sont identiques. On a ainsi un seul modèle d'armature métallique pour toutes les aubes de l'ensemble et c'est la réalisation de la préforme fibreuse qui va permettre de donner à deux aubes une forme différente (à savoir une pale avec un profil aérodynamique différent et/ou des plateformes différentes).
L'invention proposée présente de nombreux avantages.
A la différence de l'aube décrite dans la demande de brevet FR 3 021 690 où la pale était entièrement métallique, elle comprend ici une armature métallique, qui se prolonge dans les plateformes et qui assure la fonction structurale de l'aube, et un corps en matériau composite, qui sert d'élément d'habillage à l'armature en donnant forme à la pale et aux préformes, et qui assure la fonction aérodynamique de l'aube. Ici, c'est la surface externe du corps en matériau composite qui délimite et définit la surface externe de l'aube. Au final, l'invention permet toujours d'obtenir des pales ayant des profils aérodynamiques, mais en utilisant moins de métal dans la pale, ce qui permet un gain en termes de masse, et comme des bras de l'armature métallique (en l'occurrence les bras de liaison interne et externe) s'étendent dans les plateformes radialement interne et externe, on obtient une meilleure transition des efforts entre la pale et les plateformes. Enfin, le fait que l'élément central de l'armature ait une configuration en forme de X avec ses bras radialement internes et ses bras radialement externes qui s'étendent dans la pale, et le fait que les bras de liaison interne et externe s'étendent respectivement dans la plateforme radialement interne et externe et relient respectivement les bras radialement internes et externes, cela permet de limiter le poids de l'armature tout en ayant une reprise efficace des efforts entre la virole extérieure et le moyeu.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés parmi lesquels :
- la figure 1 représente une vue schématique en coupe axiale d'une turbomachine selon l'invention ;
- la figure 2 représente une vue de face d'un carter intermédiaire du turboréacteur montré sur la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue en perspective d'une aube directrice de sortie faisant partie intégrante d'un ensemble d'aubes équipant le carter intermédiaire de la figure 2 ;
- la figure 4 est une vue en perspective d'une aube directrice de sortie selon un mode de réalisation de l'invention, montrant en transparence la localisation de l'armature métallique dans le corps en matériau composite de l'aube ;
- la figure 5 est une vue en perspective de l'armature métallique montrée sur la figure 4 ; et
- les figures 6a et 6b sont respectivement une vue schématique de face et une vue schématique de côté d'une aube directrice de sortie selon un mode de réalisation de l'invention, montrant en transparence la localisation de l'armature métallique dans le corps en matériau composite de l'aube.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Une turbomachine 10 à double flux et à double corps est représentée dans la figure 1 selon une vue schématique en coupe axiale. Elle comporte, de l'amont vers l'aval selon la direction principale d'écoulement des gaz schématisée par la flèche 11, un compresseur basse pression 12, un compresseur haute pression 14, une chambre de combustion 16, une turbine haute pression 18 et une turbine basse pression 20, ces éléments définissant une veine primaire 21 traversée par un flux primaire de gaz 22. La turbine haute pression 18 est solidaire du compresseur haute pression 14 de manière à former un corps haute pression, tandis que la turbine basse pression 20 est solidaire du compresseur basse pression 12 de manière à former un corps basse pression, de sorte que chaque turbine entraîne le compresseur associé en rotation autour d'un axe longitudinal 24 de la turbomachine, sous l'effet de la poussée des gaz provenant de la chambre de combustion 16.
Un carter intermédiaire 26 est habituellement interposé entre les compresseurs basse pression 12 et haute pression 14.
Dans le cas des turbomachines à double flux, qui comprennent une soufflante 28 carénée par une nacelle 30 pour générer un flux secondaire 32 à travers une veine secondaire 31, le carter intermédiaire 26 comporte en général des aubes directrices de sortie 34 traversant cette veine 31. Ces aubes 34, assimilables à des bras de bras de maintien, sont également dites OGV : elles seront par la suite appelées aubes OGV 34.
Le carter intermédiaire 26 est représenté de façon plus détaillée sur la figure 2. II comprend une virole extérieure 40, qui se situe dans le prolongement axial du carter de soufflante. Cette virole extérieure 40 est centrée sur l'axe 24, et renferme un ensemble 34' d'aubes OGV 34, également dénommée roue OGV (ou rangée annulaire d'aubes OGV) et centrée sur l'axe 24. Les aubes OVG représentées ont, outre une fonction aérodynamique, également une fonction structurale, c'est-à-dire qu'elles participent à la tenue des charges vues par le carter intermédiaire. A cet effet, les aubes OGV 34 de l'ensemble 34' ont leur tête (plateforme radialement externe) qui est fixée à la virole 40, et leur pied (plateforme radialement interne) qui est fixé à un moyeu 36 du carter intermédiaire.
La figure 3 représente une aube OGV 34 selon l'invention. Elle comporte une partie centrale, dite « pale » 42, qui présente un profil aérodynamique, qui s'étend selon une direction principale (D) déterminée. L'aube comporte également, solidaires avec les extrémités radiales opposées de la pale 42, une plateforme radialement interne 44a et une plateforme radialement externe 44b. Il est également prévu des moyens 43 pour la fixation de l'aube OGV 34 sur le moyeu 36 et sur la virole extérieure 40. Ces moyens 43 sont par exemple des platines, pattes ou similaires, de préférence percés de trous de passage destinés à être traversés par des éléments de fixation du type boulons ou similaires.
Comme illustré dans la figure 4, l'aube OGV 34 selon l'invention comporte une armature métallique 41, qui est enrobée par un corps 50 en matériau composite. En d'autres termes, l'armature métallique 41 est noyée dans le corps 50.
L'armature métallique 41 donne sa rigidité à l'aube OGV. De préférence, l'armature métallique 41 est monobloc. Comme illustré dans la figure 5, elle comporte un élément central 46 en forme de X s'étendant selon une direction principale (D) et deux bras de liaison interne 47a et externe 47b. L'élément central 46 comporte quatre bras dont deux bras radialement internes 48a et deux bras radialement externes 48b ; les deux bras radialement internes 48a sont reliés par le bras de liaison interne 47a, qui s'étend dans la plateforme radialement interne 44a ; les deux bras radialement externes 48b sont reliés par le bras de liaison externe 47b, qui s'étend dans la plateforme radialement externe 44b. Ainsi, les bras de liaison interne 47a et externe 47b s'étendent sensiblement dans la direction axiale 24 de la turbomachine. Les moyens 43 pour la fixation de l'aube OGV 34 sont réalisés dans les bras de liaison interne 47a et externe 47b. L'armature métallique 41 (y compris les moyens 43 de fixation) est réalisée d'une seule pièce métallique, de préférence en aluminium ou en l'un de ses alliages. Elle peut être obtenue par usinage d'un bloc de matière par des moyens d'usinage conventionnels.
Cette armature métallique assure la fonction structurale de l'aube OGV.
Le corps 50 donne sa forme à l'aube et assure la fonction aérodynamique de l'aube. Le corps 50 est réalisé en matériau composite. On rappelle qu'un matériau composite est un assemblage d'au moins deux matériaux non miscibles, qui se compose d'une matrice dans laquelle sont incorporés des renforts (particules, fibres ou autres).
Selon l'invention, le corps 50 est en matériau composite, de préférence à matrice organique, et à renforts sous forme de fibres. Le matériau composite est par exemple du type comprenant des fibres de verre et/ou de carbone et une matrice thermodurcissable ou thermoplastique.
Le corps 50 peut être obtenu en réalisant une préforme fibreuse autour de l'armature métallique 41 en empilant par drapage, tissage, tressage ou autres des couches de fibres (appelées « plis ») autour de l'armature jusqu'à obtenir l'épaisseur et la forme souhaitées. Cette préforme fibreuse va avoir la forme que l'on souhaite donner à l'aube OGV (pale et plateformes comprises). La préforme peut également être réalisée en plusieurs parties. On peut ainsi, au lieu d'avoir une unique préforme intégrant les plateformes à la pale, avoir par exemple trois préformes partielles (une pour former chacun des éléments parmi la pale et les plateformes) qui sont ensuite assemblées entre elles pour n'en former qu'une. On peut aussi réaliser le corps de la pale, puis surmouler les plateformes sur le corps de la pale.
La préforme est ensuite imprégnée d'une résine thermodurcissable ou thermoplastique par des techniques sous pression et/ou à hautes températures, par exemple une technique d'injection sous pression, comme la technique RTM (de l'anglais « Resin Transfer Molding »), par infusion, compression ou tout autre procédé équivalent. On peut également utiliser des fibres préimprégnées de résine pour réaliser la préforme. La résine est ensuite polymérisée, par exemple en appliquant un traitement thermique.
Tout en conservant sa configuration de base avec son élément central en forme de X et ses deux bras de liaison interne et externe, la configuration de l'armature métallique peut présenter quelques variantes. Ainsi, la zone de l'élément central 46 dans laquelle les deux bras radialement internes et les deux bras radialement externes se rejoignent peut être plus ou moins étirée longitudinalement selon la direction (D) : cette zone est allongée dans la figure 5, alors qu'elle ne l'est pas dans la figure 6a. Les deux bras de liaison interne 47a et externe 47b peuvent être des barres transversales sensiblement droites, comme illustré dans la figure 6a, ou bien l'un des bras de liaison 47b peut être courbe, comme illustré dans la figure 5, par exemple pour s'adapter à la forme de la plateforme. De même, les bras de l'élément central 46 peuvent être droits (figure 6b) ou courbes (figure 4).
En dissociant l'aspect tenue mécanique et l'aspect aérodynamique de l'aube OGV grâce à l'armature métallique et au corps en matériau composite, on diminue 5 le nombre de références de pièces brutes. En effet, il est possible de réaliser des aubes OGV 34 ayant des pales présentant des profils aérodynamiques différents en utilisant des armatures métalliques identiques. De même, les pièces brutes utilisées pour réaliser les armatures métalliques peuvent être identiques. Cela permet de n'avoir à gérer qu'une seule référence produit lors de la fabrication, ce qui simplifie sa mise en œuvre. Bien 10 entendu, des blocs de matière métallique de formes distinctes pourraient être retenus, sans sortir du cadre de l'invention. Ce sont les préformes pour réaliser les corps en matériau composite qui sont modifiées (par exemple en adaptant le nombre de plis autour de l'armature, en utilisant des moules différents pour réaliser des surmoulages, etc.).
Outre les avantages décrits ci-dessus, l'aube selon l'invention permet un renfort structural optimal, tout en conservant un poids réduit grâce au corps en matériau composite.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Aube (34) destinée à être agencée dans un flux d'air de turbomachine, l'aube (34) comprenant une plateforme radialement interne (44a), une plateforme radialement externe (44b), ainsi qu'une pale (42) qui s'étend entre les plateformes radialement interne (44a) et externe (44b), l'aube (34) étant caractérisée en ce qu'elle comprend :- un corps (50) en un matériau composite ; et- une armature métallique (41) qui est intégrée dans le corps (50), l'armature métallique (41) ayant un élément central en forme de X avec deux bras radialement internes (48a) qui s'étendent jusqu'à la plateforme radialement interne (44a) et deux bras radialement externes (48b) qui s'étendent jusqu'à la plateforme externe (44b), les bras radialement internes (48a) étant reliés entre eux par un bras de liaison interne (47a) qui s'étend dans la plateforme interne (44a) et les bras radialement externes (48b) étant reliés entre eux par un bras de liaison externe (47b) qui s'étend dans la plateforme externe (44b).
- 2. Aube selon la revendication 1, dans laquelle l'armature métallique (41) est monobloc.
- 3. Aube selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'armature métallique (41) est réalisée en aluminium ou en l'un de ses alliages.
- 4. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le bras de liaison interne (47a) comprend des protubérances (43) s'étendant radialement dans la plateforme radialement interne (44a).
- 5. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le bras de liaison externe (47b) comprend des protubérances (43) s'étendant radialement dans la plateforme radialement externe (44b).
- 6. Aube selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle les protubérances (43) sont munies de trous, destinés à coopérer avec des éléments de fixation pour fixer l'aube dans une veine de la turbomachine.
- 7. Ensemble (34') d'aubes (34) pour turbomachine, comprenant une pluralité d'aubes (34) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, au moins deux desdites aubes ayant des pales (42) de formes différentes.
- 8. Carter intermédiaire (26) de turbomachine, comprenant un moyeu (36), une virole extérieure (40), ainsi qu'un ensemble (34') d'aubes (34) selon la revendication 7, ledit ensemble étant agencé radialement entre le moyeu (36) et la virole extérieure (40).
- 9. Turbomachine (10), de préférence un turboréacteur, comprenant un carter intermédiaire (26) selon la revendication 8.
- 10. Procédé de fabrication d'une aube (34) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes :a) la réalisation de l'armature métallique (41), de préférence par usinage d'un bloc de matière ; etb) la réalisation du corps (50) en matériau composite ;l'étape b) comprenant :- la formation d'au moins une préforme fibreuse autour de l'armature métallique (41), l'introduction d'une résine thermoplastique ou thermodurcissable dans la préforme et la polymérisation de la résine ; ou-la formation, autour de l'armature métallique (41), d'au moins une préforme fibreuse réalisée à l'aide de fibres, qui sont préimprégnées d'une résine thermoplastique ou thermodurcissable, et la polymérisation de la résine.
- 11. Procédé de fabrication d'un ensemble (34') d'aubes (34) selon la revendication 7, dans lequel chaque aube (34) de l'ensemble d'aubes est réalisée par mise en œuvre du procédé selon la revendication 10.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115434948A (zh) * | 2021-06-04 | 2022-12-06 | 中国航发商用航空发动机有限责任公司 | 风扇叶片及包括其的航空发动机 |
Citations (4)
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| EP1077126A1 (fr) * | 1999-08-16 | 2001-02-21 | General Electric Company | Aube hybride formée par injection |
| EP1669547A2 (fr) * | 2004-11-05 | 2006-06-14 | Rolls-Royce plc | Aube composite |
| EP1884623A2 (fr) * | 2006-07-27 | 2008-02-06 | Siemens Power Generation, Inc. | Surface portante creuse en cmc à couture interne |
| FR2956875A1 (fr) * | 2010-02-26 | 2011-09-02 | Snecma | Aube allegee pour turbomachine, carter comportant une pluralite d'une telle aube et turbomachine comportant au moins un tel carter |
-
2018
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication number | Publication date |
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