FR3085414A1 - Aube de turbomachine comportant une liaison au renfort structurel a inserts et evidements - Google Patents

Aube de turbomachine comportant une liaison au renfort structurel a inserts et evidements Download PDF

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Abstract

Aube de turbomachine comportant une pale (42) à surface aérodynamique s'étendant selon une première direction entre un bord d'attaque et un bord de fuite et selon une deuxième direction, sensiblement perpendiculaire à la première direction, entre un pied de l'aube et une tête d'aube, la pale étant réalisée en un matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres, et un renfort structurel métallique (40) collé par un joint de colle (46) sur le bord d'attaque de la pale, le renfort structurel métallique étant constitué d'une partie pleine ou nez sans prolongement d'ailettes épousant la surface aérodynamique de la pale et dont la fixation à la pale avant collage est assurée par un assemblage (44) à tenons et mortaises s'étendant sensiblement selon la première direction.

Description

Arrière-plan de l'invention
Le domaine de l'invention est celui des turbomachines et plus particulièrement celui des aubes de soufflantes en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres dont le bord d'attaque comporte un renfort structurel métallique et la présente invention concerne plus particulièrement un procédé de fixation de ce renfort structurel métallique sur la pale en matériau composite de l'aube.
On rappelle que le bord d'attaque correspond à la partie antérieure d'un profil aérodynamique qui fait face au flux d'air et qui divise l'écoulement d'air en un écoulement d'air d'intrados et en un écoulement d'air extrados. Par opposition, le bord de fuite correspond à la partie postérieure d'un profil aérodynamique où se rejoignent les écoulements intrados et extrados.
La figure 5 est une vue latérale d'une aube, par exemple une aube de soufflante d'une turbomachine, comportant un renfort structurel de bord d'attaque conforme à l'état de l'art.
L'aube 10 comporte une pale à surface aérodynamique 12 solidaire d'un pied 14 et s'étendant selon une première direction axiale 16 entre un bord d'attaque 18 et un bord de fuite 20 et selon une deuxième direction radiale 22 sensiblement perpendiculaire à la première direction 16 entre ce pied 14 et une tête d'aube 24. Les faces latérales de la pale 12 qui relient le bord d'attaque 18 au bord de fuite 20 constituent donc les faces extrados 26 et intrados 28 de l'aube.
Classiquement, la pale 12 est réalisée en un matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres. A titre d'exemple, le matériau composite utilisé peut être composé par un assemblage de fibres tissées de carbone et d’une matrice de résine époxyde, l'ensemble étant formé par moulage au moyen d'un procédé connu d'injection de résine de type RTM (pour Resin Transfer Molding).
Les aubes de turbomachine, et notamment les aubes de soufflante, subissant d'importantes contraintes, notamment mécaniques, l'aube 10 comporte également un renfort structurel 30 collé au niveau du bord d'attaque 18 de la pale et qui s'étend sur toute la hauteur du profil aérodynamique à la fois selon la première direction 16 au-delà de ce bord d'attaque et selon la deuxième direction 22 entre le pied 14 et la tête 24 de l'aube, comme mentionné par exemple dans la demande EP1908919 déposée au nom de la demanderesse.
Comme le montre la figure 6, le renfort structurel 30 épouse la forme arrondie du bord d'attaque 18 de la pale 12 de l'aube 10 qu'il prolonge pour former le bord d'attaque de l'aube 32. De façon classique, ce renfort structurel 30 est avantageusement une pièce monobloc comportant une section sensiblement en forme de V présentant une base ou nez 34 dont le profil externe forme le bord d'attaque de l'aube 32 et le profil interne arrondi est apte à épouser la forme arrondie du bord d'attaque 18 de la pale 12. Cette base est prolongée par deux flancs latéraux ou ailettes 36A et 36B épousant respectivement l'intrados 26 et l'extrados 28 de l'aube et présentant un profil effilé ou aminci en direction du bord de fuite de l'aube. La liaison entre le renfort structurel 30 et la pale 12 est effectuée classiquement par un joint de colle 38 de propriétés connues (mais dont l'épaisseur est ici exagérée dans le seul but du dessin), typiquement une colle époxyde ou cyanoacrylate.
Le renfort structurel 30 est principalement une pièce métallique, préférentiellement en alliage à base titane de type TA6V, réalisée à partir d'une préforme obtenue depuis un simple barreau métallique et d'une succession d'étapes de forge, comme décrit notamment dans la demande FR2961866 également déposée au nom de la demanderesse. Ce matériau présente en effet une grande capacité d’absorption de l’énergie due aux chocs. Il peut cependant aussi être en acier ou en un alliage à base de fer, de nickel et de chrome connu sous la marque Inconel™.
Un tel renfort structurel métallique permet de protéger l’aube en matériau composite lors d'un impact d'un corps étranger sur la soufflante, tel que par exemple un oiseau, de la grêle ou bien encore des cailloux notamment en phase de décollage ou d'atterrissage.
Toutefois, ces impacts (correspondant à des chargements mécaniques sur l'aube) génèrent des concentrations de contraintes dans la colle et facilitent l'initiation de décollements qui, par effets de bords, vont ensuite se propager à la pale aux extrémités du renfort structurel métallique, provoquant des risques de délaminage, de rupture de fibre ou encore d'endommagement par décohésion fîbre/matrice. Ces décollements peuvent aussi continuer à se propager lors d'autres impacts ou sous chargement de fatigue vibratoire et perturber le flux d'air, dégradant les performances et la poussée de la turbomachine qui peut alors descendre en deçà de 75% de sa poussée initiale, seuil considéré comme dangereux pour la tenue en vol de l'aéronef intégrant la turbomachine concernée.
L'aube de soufflante ainsi endommagée doit alors être réparée rapidement voire remplacée lors d'une opération de maintenance, ce qui impact fortement la disponibilité de l'aéronef.
Objet et résumé de l'invention
Dans ce contexte, l'invention vise à pallier les inconvénients précités des renforts structurels à ailettes collées actuels en proposant une aube de turbomachine dont le renfort structurel métallique évite ces décollements problématiques résultant d'un impact d'un corps étranger sur la soufflante.
Ce but est atteint grâce à une aube de turbomachine comportant une pale à surface aérodynamique s'étendant selon une première direction entre un bord d'attaque et un bord de fuite et selon une deuxième direction, sensiblement perpendiculaire à ladite première direction, entre un pied de l'aube et un sommet de l'aube, ladite pale étant réalisée en un matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres, et un renfort structurel métallique collé par un joint de colle sur ledit bord d'attaque de la pale, caractérisée en ce que ledit renfort structurel métallique est constitué d'une partie pleine ou nez sans prolongement d'ailettes épousant ladite surface aérodynamique et dont la fixation à ladite pale avant collage est assurée par un assemblage à tenons et mortaises s'étendant sensiblement selon ladite première direction.
Ainsi, en supprimant les classiques ailettes intrados et extrados, le problème posé par leur décollement est supprimé et l'adjonction d'un assemblage à tenon/mortaise renforce la liaison entre le bord d'attaque et la pale de l'aube.
Selon un premier mode de réalisation considéré, ledit assemblage est constitué d'une succession d'inserts métalliques répartis selon la deuxième direction sur une hauteur du bord d'attaque et formant lesdits tenons, ces inserts métalliques se logeant dans des évidements correspondant de ladite pale formant lesdites mortaises. Lesdits tenons ne comportent pas d'angles vifs et présentent typiquement une forme ovale ayant une section allongée selon la deuxième direction.
Selon un second mode de réalisation considéré, ledit assemblage est constitué d'une succession d'évidements répartis selon la deuxième direction sur une hauteur du bord d'attaque et formant lesdites mortaises, ces évidements recevant des inserts composites correspondant de ladite pale formant lesdits tenons.
De préférence, lesdits inserts (métalliques ou composites) présentent selon la deuxième direction une hauteur de l'ordre de 30 mm et leur espacement est de l'ordre de la moitié de leur hauteur.
Avantageusement, lesdits inserts métalliques ou composites présentent selon une troisième direction perpendiculaire à la fois à ladite première direction et à ladite deuxième direction une largeur de l'ordre de 1/3 de la largeur totale dudit renfort structurel métallique ou de ladite pale.
De préférence, les parties latérales intrados et extrados de ladite pale de chaque côté desdits inserts ou évidements présentent selon une troisième direction perpendiculaire à la fois à ladite première direction et à ladite deuxième direction une épaisseur restante d'au moins 2 mm.
Avantageusement, lesdits inserts présentent selon la première direction une longueur <25% d'une longueur de corde de l'aube et typiquement < 20%.
L'invention concerne également toute turbomachine comportant au moins une telle aube.
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 et sur lesquels :
- la figure 1 illustre une section partielle d'une aube montrant un renfort structurel métallique de bord d'attaque fixé sur une pale en matériau composite conformément à l'invention ;
- la figure 2 représente un premier exemple de liaison de type tenon/mortaise entre le renfort structurel métallique et la pale en matériau composite ;
- la figure 3 illustre une déliaison locale des fibres de la pale en matériau composite pour la réalisation de mortaises ;
- la figure 4 représente un second exemple de liaison de type tenon/mortaise entre le renfort structurel métallique et la pale en matériau composite ; et
- les figures 5 et 6 illustrent en vue latérale et en section partielle une aube de turbomachine de l'art antérieur.
Description détaillée d'un mode de réalisation
Conformément à l'invention et comme représenté à la figure 1, la liaison entre le renfort structurel métallique 40 formant le bord d'attaque et la pale en matériau composite tissée 3D 42 est réalisée par un assemblage 44 à tenons et mortaises (l'assemblage est non chevillé), l'ensemble étant collé de façon conventionnelle, par un joint de colle de type époxyde ou cyanoacrylate 46.
Comme le montre le premier exemple de réalisation de la figure 2, le renfort structurel métallique 40 est simplement constitué d'une partie pleine ou nez 48 d'où émerge une succession d'inserts métalliques répartis sur la hauteur du bord d'attaque et formant les tenons 50. Il ne comporte donc pas les ailettes habituelles qui prolongent ce nez pour épouser les faces intrados et extrados de la pale. Ces inserts métalliques sont destinés à être loger dans des évidements correspondant de la pale 42 en matériau composite tissée 3D composée de fibres de carbone et de résine époxyde par exemple, et formant les mortaises 52, de sorte à prolonger en intrados et extrados la surface aérodynamique de la pale une fois assemblés, c'est à dire une fois les faces terminales transversales en regard respectives du nez 48A et de la pale 42A mises en contact bord à bord. On notera que les tenons ne doivent pas comporter d'angles vifs et ainsi une forme ovale telle que représentée ou toute autre forme appropriée, par exemple rectangulaire ou en losange à congés arrondis (voir la figure 4 plus avant) et/ou à pans coupés, est conseillée pour les réaliser.
Les dimensions des inserts métalliques sont choisies de façon la plus appropriée par l'homme du métier. Ainsi, ils ne doivent pas être trop longs au risque d'affaiblir en chaîne la tenue du composite, mais suffisamment long pour assurer un bon maintien du renfort structurel métallique. Une longueur L des inserts (définie selon la première direction axiale 16) de l'ordre des ailettes actuelles (c'est à dire <25% de longueur de corde de l'aube et de préférence < 20%) peut être considérée comme un bon compromis. Toutefois des inserts plus courts peuvent aussi être envisagés. De même, la largeur W des inserts (définie selon une troisième direction perpendiculaire à la fois à la première direction axiale et la deuxième direction radiale) est avantageusement de l'ordre de 1/3 de la largeur totale du renfort structurel métallique et les parties latérales intrados et extrados restantes en composite doivent avoir une épaisseur d'au moins 2 mm afin d'avoir une structure de fibres suffisante pour un bon maintien. La hauteur H des inserts (définie selon la deuxième direction radiale 22) est de préférence de l'ordre de 30 mm et leur espacement de l'ordre de la moitié de leur hauteur. La largeur des inserts peut évoluer en fonction de leur position sur la hauteur de la pale. En particulier, les tenons et mortaises peuvent présenter des largeurs plus grandes du côté du pied d'aube étant donné que l'épaisseur est plus importante en pied et plus fines à proximité de la tête d'aube. Il est aussi possible de prévoir des tenons moins larges mais plus longs et/ou plus haut du côté de la tête ou vers le milieu de l'aube que du côté du pied en fonction de la résistance souhaitée, par exemple en cas de choc correspondant à une ingestion de corps étranger dans la turbomachine.
L'intérêt d'introduire des inserts dans la pale est de pouvoir assurer une bonne liaison entre la partie métallique et la partie composite et d'utiliser le principe du tissage en trois dimensions pour entrelacer les inserts métalliques du renfort structurel entre les fibres de la pale. Cela permet de refermer la préforme entre chaque insert et de garantir le maintien de l'intrados et de l'extrados de part et d'autre de chacun de des inserts.
La figure 3 montre un moule d'injection comportant des noyaux 56 ayant alors la forme souhaitée afin de garantir les dimensions des évidements et permettant une déliaison locale des fibres 58 de la préforme au niveau de ces évidements formant les mortaises 52. Les fils de trame doivent alors être coupés avant mise en forme, ce qui suppose des trous suffisamment grand et pas trop profonds pour pouvoir y faire passer des outils de coupe. Entre les deux mortaises 52, le ratio de chaîne et trame (RCT) doit diminuer. En effet, pour « combler » la matière, on ne peut pas rajouter de toron de chaîne et il faut donc rajouter des torons de trame. Le RCT du composite évolue donc selon la hauteur de la pale si l'on est à une hauteur sans mortaise ou à une hauteur avec mortaise. On notera que l'on peut également modifier le taux volumique de fibres.
La figure 4 illustre un second mode de réalisation de l'invention dans lequel les parties mâles (tenons) et femelles (mortaises) associées sont inversées entre la partie métallique et la partie composite. Comme dans le mode de réalisation précédent, le renfort structurel métallique 40 est simplement constitué d'une partie pleine ou nez 48 mais comporte cette fois une succession d'évidements répartit sur la hauteur du bord d'attaque et formant les mortaises 60. Il ne comporte donc pas non plus les ailettes habituelles qui prolongent ce nez pour épouser les faces intrados et extrados de la pale. Ces évidements sont destinés à recevoir des inserts composites de la pale 42 formant les tenons 62. Toutefois, contrairement au premier mode de réalisation, les fibres ne peuvent pas simplement être déliées mais doivent être coupées (l'usinage du composite doit alors être particulièrement soigné pour s'assurer de conserver la tenue mécanique de la pale) pour obtenir la forme d'inserts souhaitée qui, dans ce second mode de réalisation, peuvent donc être aussi de forme quelconque, par exemple en losange, les quatre sommets étant alors arrondis.
Si la description précitée a été illustrée par une aube de soufflante de turbomachine, il conviendra de noter que l'invention est également applicable à la réalisation d'un renfort structurel métallique destiné à renforcer un bord d'attaque de tout autre type d'aube de turbomachine, terrestre ou aéronautique, et notamment un turbomoteur d'hélicoptère ou un turboréacteur d'avion mais également d'hélices telles que des hélices de soufflantes non carénées, par exemple doubles et contrarotatives.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Aube de turbomachine comportant une pale (12, 42) à surface aérodynamique s'étendant selon une première direction (16) entre un bord d'attaque (18) et un bord de fuite (20) et selon une deuxième direction (22), sensiblement perpendiculaire à ladite première direction, entre un pied de l'aube (14) et une tête d'aube (24), ladite pale (12, 42) étant réalisée en un matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres, et un renfort structurel métallique (30, 40) collé par un joint de colle (38, 46) sur ledit bord d'attaque de la pale, caractérisée en ce que ledit renfort structurel métallique est constitué d'une partie pleine ou nez (48) sans prolongement d'ailettes épousant ladite surface aérodynamique et dont la fixation à ladite pale avant collage est assurée par un assemblage (44) à tenons (50, 62) et mortaises (52, 60) s'étendant sensiblement selon ladite première direction.
  2. 2. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit assemblage est constitué d'une succession d'inserts métalliques (52) répartis selon la deuxième direction (22) sur une hauteur du bord d'attaque et formant lesdits tenons, ces inserts métalliques se logeant dans des évidements correspondant (52) de ladite pale formant lesdites mortaises.
  3. 3. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit assemblage est constitué d'une succession d'évidements (60) répartis selon la deuxième direction (22) sur une hauteur du bord d'attaque et formant lesdites mortaises, ces évidements recevant des inserts composites correspondant (62) de ladite pale formant lesdits tenons.
  4. 4. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdits tenons présentent une forme ovale ayant une section allongée selon la deuxième direction (22).
  5. 5. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits tenons ne comportent pas d'angles vifs
  6. 6. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que lesdits tenons présentent selon la deuxième direction (22) une hauteur de l'ordre de 30 mm et leur espacement est de l'ordre de la moitié de leur hauteur.
  7. 7. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que lesdits tenons présentent selon une troisième direction perpendiculaire à la fois à ladite première direction et à ladite deuxième direction une largeur de l'ordre de 1/3 de la largeur totale dudit renfort structurel métallique ou de ladite pale.
  8. 8. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les parties latérales intrados et extrados de ladite pale de chaque côté desdits tenons ou mortaises présentent selon une troisième direction perpendiculaire à la fois à ladite première direction et à ladite deuxième direction une épaisseur restante d'au moins 2 mm.
  9. 9. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que lesdits tenons présentent selon la première direction (16) une longueur <25% d'une longueur de corde de l'aube et typiquement < 20%.
  10. 10. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la largeur des tenons évolue en fonction de leur position sur la hauteur de la pale de manière que les tenons soient plus larges du côté du pied de l'aube et plus fins du côté de la tête de l'aube.
  11. 11. Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, constituant une aube de soufflante de turbomachine.
  12. 12. Turbomachine comportant au moins une aube selon la revendication 11.
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