FR3091548A1

FR3091548A1 - Elément abradable de turbomachine pourvu de témoins d’usure visuels

Info

Publication number: FR3091548A1
Application number: FR1900213A
Authority: FR
Inventors: Antoine Robert Alain Brunet; Alexandre Franck Arnaud Chartoire; Eric Pierre Georges LEMARECHAL; David Joseph SERLAN
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2019-01-09
Filing date: 2019-01-09
Publication date: 2020-07-10
Anticipated expiration: 2039-01-09
Also published as: GB2580789B; FR3091548B1; US20200277873A1; GB2580789A; US11225879B2; GB202000169D0

Abstract

L’invention concerne un élément abradable (7) pour turbomachine, comportant un corps (8) formé d’un matériau abradable et s’étendant entre une face d’usure (11) et un fond (9). Le corps comporte des cavités borgnes (12) débouchant dans la face d’usure et comblées avec un matériau ayant une couleur différente de celle du matériau formant le corps de l’élément (7) pour constituer des témoins d’usure de la face d’usure (11) de l’élément (7). Figure pour l’abrégé : Figure 3

Description

Titre de l'invention : Elément abradable de turbomachine pourvu de témoins d’usure visuels

Domaine technique

[0001] La présente invention concerne la mesure de l’usure d’un élément abradable équipant une turbomachine, tel qu’un élément abradable porté par un carter de soufflante de turboréacteur.

Technique antérieure

[0002] Une soufflante de turboréacteur comporte un rotor portant une série d’aubes entouré par un carter de soufflante formant stator et comportant une face interne globalement cylindrique. Dans un tel agencement, il existe un jeu, mesurable radialement entre les extrémités des pales et la face interne du stator qui les entoure, et qui présente une incidence significative sur les performances du moteur.

[0003] Compte tenu des dilatations différentielles intervenant lorsque le moteur est en service, et qui conditionnent en partie ce jeu, la face interne du stator est couverte par des éléments abradables formant une piste abradable au droit des extrémités de pales.

[0004] En fonctionnement, les extrémités de pales peuvent frotter contre les éléments abradables en y creusant une sorte de sillon, pour que le jeu radial s’ajuste à une valeur minimale nécessaire vis-à-vis des différentes conditions de fonctionnement qui ont été rencontrées.

[0005] Au cours de la vie du turboréacteur, l’usure des abradables devient de plus en plus significative. Afin d’éviter une détérioration trop importante des performances du moteur, ces abradables sont donc remplacés lorsque leur usure est trop importante.

[0006] Ainsi, la connaissance du degré d’usure des éléments abradables est nécessaire pour déterminer s’ils doivent ou non être remplacés, et/ou pour planifier un remplacement à venir.

[0007] En pratique, évaluer l’usure des éléments abradables est une opération complexe. Une possibilité consiste, comme représenté schématiquement sur la figure 1, à prendre l’empreinte du sillon creusé par les extrémités libres de pales. Il s’agit alors de placer un échantillon de résine 1 à la face interne 2 du carter pour qu’il couvre une portion intacte 3 de la face interne 2, et la portion compotant le sillon 4. Une fois qu’il est sec, l’échantillon de résine 1 comporte une empreinte du sillon 4 qui peut être mesurée pour connaître la profondeur de ce sillon, c’est-à-dire l’usure cherchée. Cette méthode reste malgré tout relativement imprécise et d’une mise en œuvre fastidieuse.

[0008] Une autre solution est d’utiliser un jeu de cales d’épaisseurs différentes pour déterminer la cale la plus épaisse pouvant être engagée entre une extrémité de pale et le sillon, l’épaisseur de la cale en question correspondant alors à l’usure cherchée. Cette autre méthode s’avère être elle aussi imprécise et d’une mise en œuvre fastidieuse.

[0009] Il est également possible d’utiliser un appareillage de type laser pour mesurer l’usure recherchée, mais cela aboutit à un temps de mesure trop important, et à un coût de mise en œuvre élevé.

[0010] Une autre possibilité, illustrée sur la figure 2 est de réaliser un quadrillage de lamages 6 de profondeurs prédéterminées à la face interne 2 de l’élément abradable neuf. La mesure de l’usure consiste alors à mesurer directement la profondeur résiduelle des lamages situés dans le sillon pour en déduire l’usure cherchée qui correspond à la différence entre la profondeur initiale et la profondeur résiduelle.

[0011] Cette dernière méthode s’avère relativement précise et rapide, mais les lamages 6 présents à la face interne des éléments abradables dégradent les performances acoustiques du moteur, par intéraction entre l’écoulement supersonique en sommet d’aube avec les singularités que constituent les lamages présents à la face interne de l’élément abradable.

[0012] Le but de l’invention est d’apporter une solution permettant de réaliser un contrôle d’usure simple rapide et fiable.

Exposé de l’invention

[0013] A cet effet, l’invention a pour objet un élément abradable de carter de turbomachine, comportant un corps en matériau abradable ayant une forme de secteur d’anneau délimitant une face d’usure en forme de portion de cylindre, caractérisé en ce que ce corps comporte des cavités borgnes débouchant dans la face d’usure, ces cavités étant comblées avec un matériau ayant une couleur différente de celle du matériau formant le corps de l’élément pour constituer des témoins d’usure de l’élément.

[0014] Avec cet agencement, l’usure de l’élément abradable peut être détectée par simple contrôle visuel.

[0015] L’invention concerne également un élément abradable ainsi défini, comportant des cavités ayant des formes s’évasant vers la face d’usure.

[0016] L’invention concerne également un élément abradable ainsi défini, dans lequel au moins une cavité est délimitée par un flanc qui est incliné d’un angle prédéterminé par rapport à la face d’usure.

[0017] L’invention concerne également un élément abradable ainsi défini, dans lequel l’angle prédéterminé est compris entre 5,6° et 5,8°.

[0018] L’invention concerne également un élément abradable ainsi défini, dans lequel les cavités sont des trous coniques.

[0019] L’invention concerne également un élément abradable ainsi défini, dans lequel les cavités sont des lamages ayant une inclinaison prédéterminée par rapport à une normale à la face d’usure.

[0020] L’invention concerne également un élément abradable ainsi défini, comportant en outre un lamage tangent à au moins une cavité, ce lamage étant formé selon un angle normal à la face d’usure.

[0021] L’invention concerne également un élément abradable ainsi défini, dans lequel le matériau de comblement est un matériau abradable.

[0022] L’invention concerne également un carter de soufflante équipé d’un élément abradable ainsi défini.

[0023] L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un élément abradable ainsi défini, comportant les opérations de :

[0024] - formation d’un corps en matériau abradable ;

[0025] - formation d’une ou plusieurs cavités et éventuellement de lamages tangents à ces cavités ;

[0026] - comblement des cavités et des éventuels lamages avec un matériau de comblement ayant une couleur différente de celle du matériau abradable formant le corps.

Brève description des dessins

[0027] [fig.l] , déjà décrite, est une vue partielle montrant une technique connue de mesure d’usure d’un élément abradable par prise d’empreinte ;

[0028] [fig.2] , déjà décrite, est une vue partielle montrant un agencement connu comportant des lamages permettant de mesurer l’usure d’un élément abradable ;

[0029] [fig.3] est une vue en coupe d’un élément abradable selon un premier mode de réalisation de l’invention à son état neuf ;

[0030] [fig.4] est une vue en coupe d’un élément abradable selon le premier mode de réalisation de l’invention lorsqu’il a un certain degré d’usure ;

[0031] [fig.5] est une vue en coupe d’un élément abradable selon un deuxième mode de réalisation de l’invention à son état neuf ;

[0032] [fig.6] est une vue en coupe d’un élément abradable selon un troisième mode de réalisation de l’invention à son état neuf ;

[0033] [fig.7] est une vue en coupe d’un élément abradable selon un quatrième mode de réalisation de l’invention à son état neuf ;

[0034] [fig.8] est une vue en coupe d’un élément abradable selon le quatrième mode de réalisation de l’invention lorsqu’il a un certain degré d’usure.

[0035] EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

[0036] L’idée à la base de l’invention est de prévoir des cavités à la face d’usure de l’abradable, qui sont comblées avec un matériau de couleur différente de l’abradable, à affleurement de la face d’usure. Ces cavités ont des formes particulières permettant de visualiser le degré d’usure, soit directement, soit en mesurant leur étendue.

[0037] Sur la figure 3, un élément abradable 7 représenté en coupe comporte un corps 8 formé dans un matériau abradable principal, délimité par un fond 9 et une face d’usure 11, la distance entre ce fond et cette face d’usure correspondant à l’épaisseur du corps 8.

[0038] Cet élément abradable 7 est un élément fixe agencé pour être porté par un élément de stator tel qu’un carter de soufflante. La face d’usure 11 qui est représentée par un segment de droite pour plus de simplicité sur la figure 3, est en pratique une surface en forme de portion de cylindre centrée sur l’axe du turboréacteur lorsque l’élément 7 est en place dans le carter.

[0039] Ainsi, le corps 8 qui est représenté schématiquement par un rectangle sur la figure 3, a en pratique une forme de secteur d’anneau à section courante rectangulaire. Lorsqu’un ensemble d’éléments abradables sont montés à la face interne d’un carter de soufflante, leurs corps forment conjointement un anneau, de sorte que les faces d’usures de ces corps délimitent conjointement une piste abradable cylindrique interne en vis-à-vis des pales de soufflante.

[0040] Une cavité borgne 12 formée à la face d’usure 11 s’étend vers le fond 9, en étant comblée par un matériau de comblement 13 ayant une couleur différente du matériau principal. Comme visible sur la figure 3, cette cavité est délimitée par un fond 14 orienté parallèlement au fond 9 et par des flancs obliques 16, 17 prolongeant ce fond vers la face d’usure 11. Ces flancs 16 et 17 sont inclinés par rapport à la face d’usure 11 de manière à diverger pour que la cavité 12 s’ouvre vers la face d’usure 11. Cette cavité a ainsi une forme évasée vers la face d’usure 11.

[0041] La cavité 12 étant comblée par le matériau 13 ayant une couleur différente du matériau 18, elle constitue à la face d’usure 11 une tache ou pastille apparente 19 qui est visible à l’œil nu. Lorsque l’élément abradable est neuf comme sur la figure 3, cette tache 19 a une longueur initiale notée L.

[0042] Lorsque l’élément 7 a atteint un certain degré d’usure, sa face d’usure lia alors reculé vers le fond 9 d’une valeur d’usure repérée par U sur la figure 4. Compte tenu de la forme de la cavité 12 qui est évasée vers la face d’usure 11, ce recul se traduit par une diminution de l’aire de la cavité 12 visible au niveau de la face d’usure 11. Ainsi, l’usure de l’élément abradable 7 se traduit par une diminution de l’étendue de la tache ou pastille 19 formée par le matériau de comblement 13 à la face 11.

[0043] Dans le cas de la figure 4, la pastille 19 a une longueur résiduelle notée L’ qui est inférieure à sa longueur initiale, la différence entre ces longueurs L et L’ étant représentative de l’usure, c’est-à-dire du recul de la face 11.

[0044] Dans l’exemple de la figure 5, la cavité 12 est un lamage réalisé avec une fraise orientée selon un axe AX formant un angle A prédéterminé par rapport à la face d’usure 11. Une fois comblée avec le matériau 13, cette cavité délimite une tache ayant une forme s’apparentant à celle d’un triangle isocèle ayant une base beaucoup moins longue que les côtés opposés lorsqu’elle est vue à l’œil telle qu’elle apparaît sur la face 11. La mesure de la longueur L de cette cavité, qui correspond à la distance entre la base du triangle isocèle et son sommet opposé.

[0045] L’angle A a avantageusement été choisi pour offrir un facteur simple pour déduire l’usure de l’écart de longueurs. En choisissant un angle A valant Arc-tangente(0,l), soit 5,7°, la différence entre la longueur initiale L et la longueur résiduelle correspond à dix fois l’usure cherchée.

[0046] Dans l’exemple de la figure 6, la cavité est un trou conique, de sorte qu’elle est délimitée par un unique flanc 16 conique. Cette cavité peut ainsi être formée dans le matériau principal du corps 8 de l’élément 7 par perçage avec un forêt approprié. Une fois comblé avec le matériau 13, cette cavité 12 délimite une tache circulaire de longueur L correspondant ici à son diamètre.

[0047] L’angle A que forme le flanc 16 avec la face d’usure 11 est là aussi choisi pour offrir un facteur simple pour déduire l’usure de l’écart de longueurs. En choisissant un angle A valant 5,7°, la différence entre le diamètre initial et le diamètre résiduel correspond à vingt fois l’usure cherchée.

[0048] Alternativement, ou complémentairement, un trou borgne ou lamage 21 peut également être réalisé contre la cavité 12, de manière à faciliter encore l’évaluation du degré d’usure, comme illustré sur les figures 7 et 8, ce lamage étant alors lui aussi comblé par le matériau de comblement 13.

[0049] Dans ce cas, le lamage 21 est positionné pour être tangent à la circonférence de la cavité 12 en forme de trou conique lorsque l’élément 7 est neuf, en étant formé selon une orientation normale à la face 11.

[0050] Dans ces conditions, la longueur séparant le lamage 21 de la cavité 12 est nulle lorsque l’élément est neuf, et cette distance s’accroît au fur et à mesure que l’élément 7 s’use, c’est-à-dire au fur et à mesure que sa face 11 recule. Ainsi, comme visible sur la figure 8, lorsque l’élément 7 a un certain degré d’usure, la longueur séparant la cavité 12 du lamage 21 tels qu’ils sont visibles sur la face d’usure 11 vaut L’.

[0051] Dans l’exemple des figures 7 et 8, si l’angle A vaut 5,7°, la longueur L’ correspond à dix fois la profondeur d’usure. Ainsi, dans ce cas, il n’est pas nécessaire de connaître une longueur initiale pour déduire de la mesure la valeur de l’usure, puisque l’usure est directement proportionnelle à la longueur mesurée.

[0052] Dans cet exemple, le matériau de comblement 13 est aussi choisi pour avoir une couleur ayant un contraste important avec la couleur du matériau principal.

[0053] La cavité 12 est d’une forme sensiblement quelconque dès lors qu’elle s’évase vers la face d’usure, pour qu’un recul de la face d’usure se traduise par une diminution de l’étendue de la tache 19 qu’elle forme sur cette face. Cette cavité peut être un trou conique ou un lamage ayant une certaine inclinaison par rapport à la face d’usure 11, de sorte que cette cavité peut être relativement simple à former.

[0054] D’une manière générale, les cavités ont des formes telles qu’elles sont simples à usiner, et que leur section diminue depuis la face d’usure 11 vers le fond 9. Avantageusement ces cavités ont un contour circulaire ce qui permet de se contenter d’une mesure de leur diamètre. Ces cavités ont par ailleurs des dimensions suffisantes, par exemple 10 mm de diamètre, pour être visibles à l’œil nu et pour être mesurées avec un simple réglet millimétré, avec un angle approprié permettant de déterminer par calcul mental le niveau d’usure à partir de la valeur mesurée.

[0055] La relation entre la longueur mesurée et l’usure ne dépend pas de la profondeur de la cavité rebouchée. Ainsi, quelle que soit la forme de cavité, la profondeur peut être choisie pour servir de seuil : lorsque la couleur n’est plus visible, cela signifie que l’usure maximale a été atteinte, de sorte qu’une réparation est nécessaire.

[0056] Les cavités peuvent être placées à plusieurs positions axiales suivant le besoin : au niveau du bord d’attaque des aubes de soufflante, au niveau du milieu de corde de ces aubes ou encore au niveau de leur bord de fuite.

[0057] En ce qui concerne les couleurs, on choisit avantageusement un matériau de comblement 13 ayant une couleur qui contraste significativement avec la couleur du matériau principal.

[0058] L’obtention d’un matériau abradable coloré peut être assurée à partir d’un matériau abradable de base auquel est appliqué un traitement d’anodisation. Il est aussi possible d’appliquer un colorant poudreux ou une peinture appropriée pour modifier la couleur du matériau, attendu qu’un matériau abradable a typiquement une structure poreuse ou ajourée qui se prête par là même à une modification de sa couleur sur toute une épaisseur prédéterminée. En pratique, on pourra choisir des couleurs qui contrastent suffisamment à l’œil nu comme par exemple le bleu et le noir.

[0059] D’une manière générale, l’invention est très adaptée au cas des soufflantes de turboréacteur qui présentent un diamètre important, car dans cette configuration, les témoins d’usure selon l’invention sont visibles depuis l’extérieur du moteur, c’est-à-dire accessibles et mesurables directement.

Claims

Revendications [Revendication 1] Elément abradable (7) de carter de turbomachine, comportant un corps (8) en matériau abradable ayant une forme de secteur d’anneau délimitant une face d’usure (11) en forme de portion de cylindre, caractérisé en ce que ce corps comporte des cavités borgnes (12) débouchant dans la face d’usure (11), ces cavités étant comblées avec un matériau ayant une couleur différente de celle du matériau formant le corps de l’élément (7) pour constituer des témoins d’usure de l’élément (7). [Revendication 2] Elément selon la revendication 1, comportant des cavités (12) ayant des formes s’évasant vers la face d’usure (11). [Revendication 3] Elément selon la revendication 1 ou 2, dans lequel au moins une cavité (12) est délimitée par un flanc (16, 17) qui est incliné d’un angle prédéterminé (A) par rapport à la face d’usure (11). [Revendication 4] Elément selon la revendication 3, dans lequel l’angle prédéterminé (A) est compris entre 5,6° et 5,8°. [Revendication 5] Elément selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les cavités sont des trous coniques. [Revendication 6] Elément selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les cavités sont des lamages ayant une inclinaison prédéterminée par rapport à la face d’usure (11). [Revendication 7] Elément selon l’une des revendications précédentes, comportant en outre un lamage (21) tangent à au moins une cavité (12), ce lamage étant formé selon un angle normal à la face d’usure. [Revendication 8] Elément selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau de comblement (13) est un matériau abradable. [Revendication 9] Procédé de fabrication d’un élément abradable (7) selon l’une des revendications précédentes, comportant les opérations de : - formation d’un corps (8) en matériau abradable ; - formation d’une ou plusieurs cavités (12) et éventuellement de lamages (21) tangeants à ces cavités (12) ; - comblement des cavités (12) et éventuellement des lamages (21) avec un matériau de comblement ayant une couleur différente de celle du matériau abradable formant le corps (8). [Revendication 10] Carter de soufflante de turboréacteur équipé d’un élément abradable selon l’une des revendications 1 à 8.

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