FR3096400A1 - Aube de turbomachine à bord d’attaque métallique intégré et procédé pour l’obtenir - Google Patents

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Abstract

Aube de turbomachine à bord d’attaque métallique intégré et procédé pour l’obtenir . L’invention concerne une aube (20) de turbomachine comprenant un aubage (21) en matériau composite à renfort fibreux densifié par une matrice et un bord d’attaque (21a) métallique intégré, l’aubage s’étendant suivant une direction longitudinale (L), le bord d’attaque (21a) étant formé par un clinquant métallique (30) surmoulé sur l’aubage, ledit clinquant (30) ayant une aile intrados (31) et une aile extrados (32) qui s’étendent respectivement sur les faces intrados (24) et extrados (25) de l’aubage en épousant un profil aérodynamique de l’aube. L’une parmi l’aile intrados (31) et l’aile extrados (32) présente une portion de positionnement (40) s’étendant suivant la direction longitudinale (L), ladite portion ayant une face interne (41) plane et une épaisseur croissante en s’éloignant du bord d’attaque (21a), et étant logée dans une rainure de forme correspondante dans l’aubage. L’invention vise aussi un procédé de fabrication d’une telle aube. Figure pour l’abrégé : Fig. 3.

Description

Description Titre de l'invention : Aube de turbomachine à bord d'attaque métallique intégré et procédé pour l'obtenir Domaine technique
[0001] La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication d'aubes pour moteurs aéronautiques à turbine à gaz, ou turbomachines aéronautiques, en matériau composite comprenant un bord d'attaque métallique intégré.
Technique antérieure
[0002] La présence d'un clinquant métallique sur le bord d'attaque d'une aube de tur- bomachine aéronautique réalisée en matériau composite permet de protéger l'aubage composite de l'abrasion/érosion et lors de l'impact d'un corps étranger.
Ceci est notamment le cas pour les aubes de soufflante d'une turbomachine aéronautique qui sont exposées à l'ingestion d'un oiseau, de grêle, de glace, etc.
[0003] Il existe de nombreux procédés pour réaliser une aube de moteur à turbine à gaz en matériau composite.
On pourra citer par exemple le procédé manuel de stratifié/ drapage, le procédé de moulage par injection d'une préforme fibreuse (aussi appelé RTM pour « Resin Transfer Molding »), le procédé de brodage, le procédé de thermocompression, etc.
Ces procédés sont principalement basés sur l'utilisation d'une résine thermodurcissable ou thermoplastique.
[0004] Une fois l'aube en matériau composite obtenue, il est alors nécessaire d'assembler sur son bord d'attaque le clinquant métallique de protection.
A cet effet, le clinquant métallique, qui est réalisé par des procédés mécaniques tels que l'estampage, le formage ou l'électroformage par exemple, peut être collé sur le bord d'attaque de l'aube en matériau composite.
Cette opération peut être réalisée dans un moule assurant le collage du clinquant métallique ou dans une étuve pour obtenir une réticulation du cordon de colle appliqué le cas échéant sur le clinquant.
Ce procédé de collage direct du clinquant nécessite de nombreuses opérations de préparation qui augmentent d'autant la durée et le coût de fabrication de l'aube.
[0005] On connaît du document WO 2015015091 un procédé de fabrication d'une aube en matériau composite à bord d'attaque métallique intégré, dans lequel on place une préforme fibreuse de l'aube dans un moule d'injection avec un clinquant métallique, on injecte une résine sous pression dans le moule pour surmouler le clinquant, on solidifie la résine et on démoule l'aube ainsi obtenue.
Ce procédé présente toutefois des inconvénients.
Le clinquant métallique est difficile à positionner dans le moule avec la préforme fibreuse qui n'est pas encore densifiée.
L'injection de la résine sous pression peut entraîner le déplacement du clinquant dans le moule.
Ceci peut entraîner 2 des défauts dans le profil aérodynamique de l'aube obtenue, ce qui n'est pas souhaitable.
[0006] TI existe donc un besoin pour un procédé de fabrication d'une aube de turbomachine en matériau composite à bord d'attaque métallique intégré, et pour une telle aube, qui ne présentent pas les inconvénients précités.
Exposé de l'invention
[0007] A cet effet, l'invention propose une aube de turbomachine qui comprend un aubaee en matériau composite à renfort fibreux densifié par une matrice et un bord (l'attaque métallique intégré, l'aubaee s'étendant suivant une direction longitudinale, le bord d'attaque étant formé par un clinquant métallique surmoulé sur l'aubaee, ledit clinquant ayant une aile intrados et une aile extrados qui s'étendent respectivement sur les faces intrados et extrados de l'aubage en épousant un profil aérodynamique de l'aube.
[0008] Selon l'invention, l'une parmi l'aile intrados et l'aile extrados présente une portion de positionnement s'étendant suivant la direction longitudinale, ladite portion ayant une face interne plane et une épaisseur croissante en s'éloignant du bord d'attaque, ladite portion étant logée dans une rainure de forme correspondante dans l'aubage.
[0009] L'aube selon l'invention est remarquable par la forme du clinquant métallique qui y est intégré.
En effet, ce dernier présente une portion de positionnement qui permet un positionnement aisé du clinquant sur l'aubage, et un maintien du clinquant au cours du procédé de fabrication de l'aube pendant le surmoulage du clinquant.
La face interne (c'est-à-dire qui est située du côté de l'aubage) de la portion de positionnement forme un plan incliné par rapport à une face externe (c'est-à-dire qui est située à l'opposé de la face interne) de celle-ci.
La planéité et l'inclinaison (obtenue par le fait que l'épaisseur de la portion est croissante en s'éloignant du bord d'attaque) de la face interne permet d'amener le clinquant sur l'aubage par une translation le long de ladite face.
Ainsi, on obtient un meilleur guidage du clinquant lors de son positionnement sur l'aubage, sans le déformer de façon importante.
Les inconvénients liés au déplacement du clinquant pendant son surmoulage sont aussi évités.
[0010] Dans un exemple de réalisation, la portion de positionnement peut s'étendre sur une longueur comprise entre 50% et 80% de la longueur de l'aile correspondante mesurée entre le bord d'attaque et un bord de fuite opposé au bord d'attaque, c'est-à-dire mesurée suivant une direction transversale de l'aubage qui est perpendiculaire à la direction longitudinale.
[0011] Dans un exemple de réalisation, un angle entre la face interne de la portion de posi- tionnement et une face externe de ladite portion peut être compris entre 100 et 40°, par exemple compris entre 100 et 200.
Un tel angle permet un bon compromis entre un as- 3 semblage facile et un maintien suffisant du clinquant sur l'aubaee.
[0012] Dans un exemple de réalisation, la portion de positionnement peut présenter une section de forme triangulaire.
[0013] Dans un exemple de réalisation, à l'exception de la portion de positionnement, le clinquant métallique peut présenter une épaisseur sensiblement constante.
Un tel clinquant est de conception simple et peu onéreuse.
[0014] Dans un exemple de réalisation, la portion de positionnement peut être avanta- geusement présente sur l'aile intrados du clinquant métallique.
[0015] Dans un exemple de réalisation, un film de colle, par exemple époxy, peut être présent entre le clinquant métallique et l'aubagc.
[0016] Dans un exemple de réalisation, l'aube peut constituer une aube directrice de sortie, une aube directrice d'entrée, une aube de soufflante, ou une aube à calage variable.
[0017] L'invention vise également selon un autre aspect, un procédé de fabrication d'une aube de turbomachine telle que celle présentée ci-avant, le procédé comprenant successivement: - la fourniture du clinquant métallique et d'une préforme fibreuse destinée à former r affilage, - le positionnement du clinquant métallique sur la préforme fibreuse de façon à former une préforme d'aube, - le placement de la préforme d'aube dans la cavité d'un moule ayant la forme de l'aube, - l'injection d'une résine dans le moule de façon à surmouler le clinquant sur l'aubage, le compactage de l'ensemble et la solidification de la résine, et - le démoulage de l'aube obtenue.
[0018] Un tel procédé de moulage par injection de résine est aussi connu en anglais sous l'abréviation RTM pour « Resin Transfer Molding ».
[0019] Dans un exemple de réalisation, la préforme fibreuse peut être obtenue par mise en forme d'une ébauche fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel.
Brève description des dessins [0020[ [fig.1] La figure 1 est une vue en demi-scction axiale d'une turbomachine aéro- nautique pouvant incorporer une aube selon l'invention.
[0021] [fig.2] La figure 2 montre une vue d'une aube selon un mode de réalisation de l'invention.
[0022] [fig.3] La figure 3 montre une vue en coupe transversale de l'aube de la figure 2.
[0023] [fig.4] La figure 4 est un ordinogramme montrant les différentes étapes d'un procédé de fabrication d'une aube selon un mode de réalisation de l'invention.
[0024] [fig.5] La figure 5 montre une ébauche fibreuse destinée à former le renfort fibreux d'une aube selon un mode de réalisation de l'invention.
[0025] [fig.6] La figure 6 illustre l'étape de mise en forme de l'ébauche fibreuse pour obtenir une préforme fibreuse d'aubagc.
[0026] [fig.7] La figure 7 illustre l'étape de positionnement du clinquant métallique sur la préforme fibreuse d'aubage de façon à former une préforme d'aube.
[0027] [fig.RA] Les figures 8A à RD détaillent l'étape de positionnement du clinquant mé- tallique sur la préforme fibreuse d'aubagc.
En particulier, la figure RA montre une première sous-étape de positionnement du clinquant sur la préforme fibreuse d'aubagc.
[0028] [fig.813] La figure 8B montre une deuxième sous-étape de positionnement du clinquant sur la préforme fibreuse d'aubage.
[0029] [fig.RC] la figure RC montre une troisième sous-étape de positionnement du clinquant sur la préforme fibreuse d'aubage.
[0030] [fig.RD] la figure RD montre une quatrième sous-étape de positionnement du clinquant sur la préforme fibreuse d'aubage.
[0031] [fig.9] La figure 9 illustre l'étape de placement de la préforme d'aube dans un moule et l'injection de résine dans celui-ci.
Description des modes de réalisation
[0032] L'architecture globale d'une turbomachine aéronautique pouvant incorporer une aube selon l'invention va être décrite en lien avec la figure 1, qui représente une demi-section axiale d'une turbomachine dont l'axe principal est désigné X-X.
[0033] En amont dans le sens d'écoulement du flux gazeux, la turbomachine 1 comprend une soufflante 2 pour l'admission d'air.
A la sortie de la soufflante 2, le flux d'air se sépare en deux.
Une première partie du flux d'air est envoyée dans un compresseur basse pression 3 puis un compresseur haute pression 4.
Cette première partie du flux d'air est ensuite injectée dans une chambre de combustion 5, à la sortie de laquelle elle entraîne une turbine 6.
Une deuxième partie du flux d'air, à la sortie de la soufflante 2, est envoyée dans un redresseur 10 pour être redressée puis mélangée aux gaz sortant de la turbine 6.
La deuxième partie du flux d'air peut servir, en partie, au refroidissement de la turbomachine 1.
[0034] Plus particulièrement, le redresseur 10 comprend un ensemble d'aubes 20 agencées radialement entre un corps annulaire interne ou carter interne 12 et un corps annulaire externe ou carter externe 14.
Ces aubes 20 sont parfois appelées aubes directrices de sortie ou aubes de guidage en sortie (de l'anglais « Outlet Guide Vane » ou OGV).
[0035] La figure 2 montre plus en détails une aube 20 selon l'invention.
L'aube 20 comprend un aubage 21 qui s'étend selon une direction longitudinale L, correspondant à une direction radiale lorsque l'aube 20 est montée dans la turbomachine, entre une plateforme interne 22 et une plateforme externe 23.
L'aubage 21 s'étend selon une direction transversale T entre un bord d'attaque 21a et un bord de fuite 21b.
[0036] L'aubage 21 est réalisé en matériau composite à renfort fibreux densifié par une matrice.
Le renfort fibreux peut comprendre des fibres de carbone, et la matrice peut être du type organique et obtenue à partir d'une résine de densification.
En variante, le renfort fibreux peut comprendre des fibres céramiques, par exemple en carbure de silicium, et une matrice céramique.
[0037] Le bord d'attaque 21a de l'aubage 21 est recouvert par un clinquant métallique 30 qui est surmoulé sur l'affilage 21 au cours d'un procédé qui sera décrit ultérieurement.
Cela permet à l'aube 20 de disposer d'un bord d'attaque métallique intégré.
L'aubage 21 présente une face intrados 24 et une face extrados 25 (figure 3), sur lesquelles le clinquant métallique 30 s'étend en partie.
L'aubage 21 et le clinquant métallique 30 définissent ensemble un profil aérodynamique de l'aube 20.
Le clinquant métallique 30 peut être par exemple en alliage de Nickel et de Cobalt.
[0038] La figure 3 montre une vue en coupe de l'aubage 21 selon le plan Tilde la figure 2.
[0039] Le clinquant métallique 30 comprend une aile intrados 31 et une aile extrados 32 qui s'étendent respectivement sur une partie de la face intrados 24 et une partie de la face extrados 25 de l'aubage 21.
Les ailes 31 et 32 sont intégrées à l'aubage 21 de sorte qu'elles épousent le profil aérodynamique de l'aube 20 en définissant une partie de ce profil aérodynamique.
[0040] Selon l'invention, l'une parmi l'aile intrados 31 et l'aile extrados 32 comprend une portion de positionnement 40.
Ladite portion de positionnement 40 est ici située au voisinage de l'extrémité libre de ladite aile (c'est-à-dire l'extrémité de l'aile opposée au bord (l'attaque 21a).
[0041] Dans des exemples de réalisation, l'une seulement parmi l'aile intrados 31 et l'aile extrados 32 comprend la portion de positionnement 40.
Dans cet exemple, c'est l'aile intrados 31 qui comprend la portion de positionnement 40.
La portion de positionnement 40 s'étend ici le long de l'extrémité libre de l'aile intrados 31 suivant la direction longitudinale L.
En particulier, dans cet exemple, la portion de positionnement 40 est située en bordure de l'aile intrados 31.
[0042] La portion de positionnement 40 est logée dans une rainure 26 de forme corres- pondante dans l'aubage 21.
La portion de positionnement 40 présente une face 41 plane en contact avec l'aubage 21 au niveau de la rainure 26, laquelle forme un plan incliné par rapport à une face externe 42 de ladite portion.
L'épaisseur E de la portion de positionnement 40 est croissante en s'éloignant du bord d'attaque 21a.
En particulier, l'angle A entre la face interne 41 et la face externe 42 peut être compris entre 100 et 40°, par exemple entre 10° et 20°.
[0043] Dans cet exemple, la portion de positionnement 40 présente une section de forme gé- néralement triangulaire. 6
[0044] Dans cet exemple, l'aubage 21 et le clinquant 30 sont assemblés de façon à former une liaison en demi-queue-d'aronde, r aubagc 21 formant un tenon qui est inséré dans une rainure complémentaire formée par le clinquant 30 et sa portion de positionnement 40.
[0045] A l'exception de la portion de positionnement 40, le clinquant métallique 30 peut présenter une épaisseur E0 sensiblement constante, comprise par exemple entre 4 mm et 10 mm.
A son maximum, l'épaisseur El du clinquant 30 au niveau de la portion de positionnement 40 peut être comprise entre 4 mm et 10 mm.
[0046] La portion de positionnement peut présenter une longueur Ll mesurée selon la direction transversale T qui est comprise entre 50% et 80% de la longueur LO de l'aile intrados 31 mesurée de la même manière.
Dans cet exemple, la portion de positionnement 40 s'étend longitudinalement (selon la direction L) sur toute la longueur du clinquant métallique 30.
[0047] Selon le procédé de fabrication mis en oeuvre, un film de colle 33 peut être présent entre le clinquant métallique 30 et l'aubage 21.
[0048] La figure 4 montre les différentes étapes d'un exemple procédé de fabrication d'une aube 20 selon l'invention, qui vont être décrites en lien avec les figures 5 à 9.
[0049] Une première étape El du procédé consiste à fournir le clinquant métallique 30.
Ce dernier peut par exemple être obtenu par fabrication additive, formage d'une tôle métallique, estampage, ou fonderie, de façon connue en soi.
[0050] Dans une étape E2, réalisée en même temps que l'étape El ou séparément de celle-ci, on fournit une ébauche fibreuse tissée 100 (figure 5) qui est destinée à former le renfort fibreux de l'aubage 21.
L'ébauche fibreuse 100 peut être obtenue par tissage tridimensionnel de fils ou torons, de façon connue en soi.
[0051] Puis, l'ébauche 100 peut être mise en forme au cours d'une étape E3 (figure 6) dans un outillage 50 adapté afin d'obtenir une préforme fibreuse d'aubage 200.
Les platefonnes 22 et 23 peuvent être formées par des déliaisons au moment du tissage et dépliage des parties déliées au moment de la mise en forme de l'ébauche.
Au cours de cette étape E3, on peut insérer dans l'ébauche 100 un noyau en mousse 110 si l'on souhaite former une aube creuse.
[0052] Puis, dans l'étape E4 on positionne le clinquant métallique 30 sur la préforme 200 (figure 7).
Plus précisément, le positionnement du clinquant peut être réalisé en plusieurs sous-étapes de la manière illustrée sur les figures 8A à 8D.
[0053] On peut optionnellement enduire la préforme fibreuse 200 ou le clinquant 30 d'un film de colle, par exemple époxy, pour augmenter la tenue de l'ensemble.
[0054] Puis, comme illustré sur les figures 8A et 8B, on approche le clinquant 30 en faisant en sorte que la face interne 41 qui forme un plan incliné soit parallèle à la face correspondante de la rainure 26 de la préforme fibreuse 200, et on réalise une translation Ti 7 en maintenant ce parallélisme sans enfoncer complètement le clinquant 30.
[0055] Ensuite, comme illustré sur la figure 8C, on réalise une rotation R1 du clinquant dans le sens intrados vers extrados pour recentrer le clinquant 30 sur la préforme 200 de sorte que le bord d'attaque du clinquant 30 soit aligné avec le bord d'attaque de la préforme 200.
[0056] Enfin, comme illustré sur la figure 8D, on réalise une translation T2 pour terminer le positionnement du clinquant 30 et le bloquer sur la préforme fibreuse 200.
Après l'étape E4, le clinquant 30 est positionné correctement et maintenu fermement sur la préforme fibreuse 200.
On obtient ainsi une préforme d'aube 300.
[0057] Dans l'étape E5, on place la préforme d'aube 300 avec le clinquant métallique 30 dans la cavité d'un moule d'injection 60 (figure 9) constitué par exemple d'une partie inférieure de moule 60a et d'une partie supérieure de moule 60b, pour réaliser un procédé de moulage par injection de résine (RTM).
[0058] On peut alors procéder dans l'étape E6 à l'injection d'une résine de densification 61 dans le moule 60 contenant la préforme 300 avec le clinquant 30 pour surmouler le clinquant.
[0059] La résine de densification utilisée dans le procédé de moulage par injection pourra être une résine thermodurcissable appartenant à la famille des époxydes, bismaléimides, polyimidcs, polyesters, vinylesters, cyanatc esters, phénoliques, etc.
Alternativement, la résine pourra être une résine thermoplastique du type polysulfure de phénylène (PPS), polysulfone (PS), polyéthersulfone (PES), polyamide-imide (PAI), polyétherirnide (PEI), ou bien de la famille des polyaryléthercétones (PAEK) : PEK, PEKK, PEEK, PEKKEK, etc.
[0060] On peut compacter l'ensemble du moule 60 en appliquant une pression, afin d'assurer une imprégnation correcte de la préforme par la résine, et obtenir la forme voulue pour l'aube.
La solidification de la résine est obtenue par chauffage ou régulation en température du moule selon le type de résine utilisée.
L'aube 20 est enfin démoulée et peut être usinée si besoin.
[0061] L'invention a été illustrée dans son application à une aube directrice d'entrée 20 de turbomachine aéronautique.
On notera qu'elle peut s'appliquer à d'autres types d'aubes de turbomachine, telles qu'une aube directrice de sortie, une aube de soufflante, une aube à calage variable, etc. 8

Claims (1)

  1. REVENDICATIONS[Revendication I] Aube (20) de turbomachine (1) comprenant un aubage (21) en matériau composite à renfort fibreux densifié par une matrice et un bord d'attaque (21a) métallique intégré, l'aubage s'étendant suivant une direction longitudinale (L), le bord d'attaque (21a) étant formé par un clinquant (30) métallique surmoulé sur l'aubagc, ledit clinquant (30) ayant une aile intrados (31) et une aile extrados (32) qui s'étendent respectivement sur les faces intrados (24) et extrados (25) de l'aubage (21) en épousant un profil aérodynamique de l'aube, caractérisée en ce que l'une parmi l'aile intrados (31) et l'aile extrados (32) présente une portion de positionnement (40) s'étendant suivant la direction longitudinale (L), ladite portion de positionnement (40) ayant une face interne (41) plane et une épaisseur croissante en s'éloignant du bord d'attaque (21a), ladite portion de positionnement (40) étant logée dans une rainure (26) de forme correspondante dans l'aubage (21). [Revendication 2] Aube selon la revendication 1, dans laquelle la portion de posi- tionnement (40) s'étend sur une longueur (L1) comprise entre 50% et 80% de la longueur (LO) de l'aile correspondante mesurée entre le bord d'attaque (21a) et un bord de fuite (22a) opposé au bord d'attaque. [Revendication 3] Aube selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle un angle (A) entre la face interne (41) de la portion de positionnement (40) et une face externe (42) de ladite portion de positionnement (40) est compris entre 100 et 40°. [Revendication 4] Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la portion de positionnement (40) présente une section de forme triangulaire. [Revendication 5] Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle, à l'exception de la portion de positionnement (40), le clinquant (30) présente une épaisseur (E) sensiblement constante. [Revendication 6] Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la portion de positionnement (40) est présente sur l'aile intrados (31) du clinquant (30). [Revendication 7] Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle un film de colle (33) est présent entre le clinquant (30) et l'aubage (21). [Revendication 8] Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, constituant une aube directrice de sortie, une aube directrice d'entrée, une aube de soufflante, ou une aube à calage variable. 9 [Revendication 9] [Revendication 10] Procédé de fabrication d'une aube (20) de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, le procédé comprenant successivement : - la fourniture (E], E3) du clinquant (30) et d'une préforme fibreuse (200) destinée à former l'aubage (21), - le positionnement (E4) du clinquant (30) sur la préforme fibreuse (200) de façon à former une préforme d'aube (300), - le placement (ES) de la préforme d'aube (300) dans une cavité d'un moule (60) ayant la forme de l'aube, - l'injection (E6) d'une résine dans le moule de façon à surmouler le clinquant (30) sur l'aubage (21), le compactage de l'ensemble et la solidification (E7) de la résine, et - le démoulage (ES) de l'aube obtenue. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la préforme fibreuse (200) est obtenue par mise en forme (E2) d'une ébauche fibreuse (100) réalisée par tissage tridimensionnel.
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