FR3096596A1 - Éprouvette d’essai ayant une géométrie représentative d’un bord de fuite d’aube de turbomachine - Google Patents

Éprouvette d’essai ayant une géométrie représentative d’un bord de fuite d’aube de turbomachine Download PDF

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Abstract

É PROUVETTE D’ESSAI AYANT UNE G É OM É TRIE REPR É SENTATIVE D’UN BORD DE FUITE D’AUBE DE TURBOMACHINE Un aspect de l’invention concerne une éprouvette d’essai ayant une géométrie représentative d’un bord de fuite d’aube de turbomachine, l’éprouvette d’essai comportant une première tête, une seconde tête et une partie utile (21) s’étendant longitudinalement entre la première tête et la seconde tête, ladite partie utile (21, 31) comprenant : deux bords longitudinaux (211), d’épaisseur (e1), formant des zones à caractériser, l’épaisseur (e1) de chacun des bords longitudinaux (211) étant identique à l’épaisseur du bord de fuite, une portion longitudinale centrale (212), d’épaisseur (e2), agencée entre les deux bords longitudinaux (211), l’épaisseur (e2) de la portion longitudinale centrale (212) étant supérieure à l’épaisseur (e1) de chacun des bords longitudinaux (211). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 4

Description

ÉPROUVETTE D’ESSAI AYANT UNE GÉOMÉTRIE REPRÉSENTATIVE D’UN BORD DE FUITE D’AUBE DE TURBOMACHINE
Le domaine technique de l’invention est celui des turbomachines.
La présente invention concerne un éprouvette d’essai présentant une géométrie représentative d’un bord de fuite d’aube de turbomachine.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Une turbomachine d’aéronef comporte classiquement un compresseur, une chambre de combustion et une turbine.
La turbine, située en aval de la chambre de combustion, comporte des éléments fixes (stator) et des éléments mobiles (rotor). Les éléments mobiles sont des roues mobiles porteuses d'aubes, ces roues mobiles étant intercalées entre des grilles d'aubes fixes, également appelées distributeur. Le couple distributeur/roue mobile constitue un étage de turbine.
Par ailleurs, chaque aube, de distributeur ou de roue mobile, présente une surface intrados et une surface extrados qui s’étendent entre un bord d’attaque et un bord de fuite.
Afin d’optimiser les performances de la turbomachine, notamment en réduisant sa masse et donc sa consommation en carburant, une solution consiste à affiner le bord de fuite des aubes de distributeur et/ou de roue mobile pour tous les étages de turbine.
Afin de valider cette solution, il est nécessaire de s’assurer que les propriétés mécaniques du distributeur et/ou de la roue mobile ne seront pas altérées par la réduction de l’épaisseur des bords de fuite.
Le processus de validation de la solution commence par la réalisation d’une éprouvette d’essai représentative de la zone de la pièce à caractériser, ici le bord de fuite. L’éprouvette d’essai est ensuite soumise à des tests, notamment en fatigue vibratoire et en fluage, afin de déterminer ses propriétés intrinsèques et ainsi valider les premières étapes de dimensionnement de la pièce.
Cependant, la fabrication de telles éprouvettes d’essai est complexe. En effet, il s’avère difficile de couler des parois fines, d’épaisseur comprise entre 0.3 et 1mm, qui soient exploitables pour les essais et qui présentent une microstructure en termes de taille de grain et proportion d’indications de fonderie (retassure, inclusion etc.) similaire à celle des pièces. Le recours à des opérations d’usinage pourrait faciliter la fabrication de l’éprouvette mais cette opération n’ayant pas lieu sur pièce, elle ne peut être utilisée sur éprouvette au risque de perdre la représentativité métallurgique.
Or, en l’absence d’essais sur une éprouvette d’essai, les premières étapes de dimensionnement de l’aube ne peuvent être validées.
L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant de réaliser des essais sur un bord de fuite affiné et ainsi de valider les premières étapes de dimensionnement de l’aube.
Ainsi, un premier aspect de l’invention concerne une éprouvette d’essai ayant une géométrie représentative d’un bord de fuite d’aube de turbomachine. L’éprouvette d’essai comportant une première tête, une seconde tête et une partie utile s’étendant longitudinalement entre la première tête et la seconde tête.
La partie utile de l’éprouvette d’essai comprenant :
  • deux bords longitudinaux formant des zones à caractériser, l’épaisseur de chacun des bords longitudinaux étant identique à l’épaisseur du bord de fuite,
  • une portion longitudinale centrale agencée entre les deux bords longitudinaux, l’épaisseur de la portion longitudinale centrale étant supérieure à l’épaisseur de chacun des bords longitudinaux.
Grâce à la géométrie de l’éprouvette d’essai selon l’invention, en particulier de la portion longitudinale centrale, le coulage de parois fines, ici les bords longitudinaux, est facilité. De plus, les bords longitudinaux formant les zones à caractériser permettent de mimer la microstructure du bord de fuite en termes de taille de grain et de proportion d’indications de fonderie.
En outre, la géométrie de l’éprouvette d’essai selon l’invention permet de réaliser des essais, notamment en fatigue vibratoire et fluage, qui permettent de valider les premières étapes de dimensionnement de l’aube sans avoir nécessairement à réaliser d’essais sur l’aube complète.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, l’éprouvette d’essai selon le premier aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Selon un mode de réalisation non limitatif, l’épaisseur de la portion longitudinale centrale est comprise entre 1 et 3mm.
Selon un mode de réalisation non limitatif, la partie utile présente une longueur comprise entre 50 et 100mm.
Selon un mode de réalisation non limitatif, l’éprouvette d’essai comporte deux portions intermédiaires disposées entre la portion longitudinale centrale et chaque bord longitudinal.
Selon un mode de réalisation non limitatif, l’épaisseur de chaque portion intermédiaire diminue progressivement depuis la portion longitudinale centrale jusqu’à chaque bord longitudinal.
Selon un mode de réalisation non limitatif, les têtes présentent une forme sensiblement cylindrique.
Selon un mode de réalisation non limitatif, les têtes présentent un filetage externe.
Selon un mode de réalisation non limitatif, les têtes sont en forme de lame.
Selon un mode de réalisation non limitatif, chaque tête présente une section au moins trois fois égale à la section de la partie utile.
Un second aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une éprouvette d’essai selon le premier aspect de l’invention, le procédé de fabrication comprenant la fabrication de l’éprouvette d’essai par fonderie.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
  • La figure 1 illustre une portion d’aube de turbomachine,
  • La figure 2 est une vue en coupe transversale de la portion d’aube illustrée à la figure 1,
  • La figure 3 est une vue en perspective d’une éprouvette d’essai selon un premier mode de réalisation,
  • La figure 4 est une vue en coupe transversale de la partie utile de l’éprouvette d’essai illustrée à la figure 3,
  • La figure 5 est une vue en perspective d’une éprouvette d’essai selon un deuxième mode de réalisation.
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
La figure 1 illustre une portion d’aube de turbomachine.
La figure 2 est une vue en coupe transversale de la portion d’aube illustrée à la figure 1.
En référence aux figure 1 et 2, la portion d’aube 1 comprend un bord de fuite 11 et un bord d’attaque 12 ainsi qu’une surface intrados 13 et une surface extrados 14 s’étendant du bord d’attaque 12 au bord de fuite 11.
Afin de diminuer la trainée aérodynamique et d’améliorer les performances de la turbomachine, le bord de fuite 11 est affiné de manière à ce que son épaisseur soit comprise entre 0.3 et 1mm.
Les propriétés mécaniques du bord de fuite 11 affiné sont déterminées en réalisant des essais de fatigue vibratoire dans un banc d’essai.
L’invention se rapporte à une éprouvette d’essai présentant une géométrie représentative d’un bord de fuite affiné, destinée à être utilisée dans un banc d’essai.
L’éprouvette d’essai selon l’invention est obtenue par un procédé de fonderie.
La figure 3 illustre une éprouvette d’essai 20 selon un premier mode de réalisation de l’invention.
En référence à la figure 3, l’éprouvette d’essai 20 comprend une partie utile 21 qui s’étend longitudinalement selon un axe X, entre une première tête 22 et une seconde tête 23.
Avantageusement, la partie utile 21 présente une longueur et une largeur adaptées aux dimensions du four d’essai. En effet, lors de l’essai mécanique, l’éprouvette d’essai 20 est positionnée à l’intérieur d’un four d’essai afin que l’essai soit réalisé à la température à laquelle est exposée la pièce, i.e. l’aube, pendant le fonctionnement de la turbomachine. Or, le four d’essai est lui-même placé à l’intérieur de la machine d’essai de sorte que ses dimensions sont limitées par celles de la machine d’essai. Ainsi, la partie utile 21 présente, de préférence, une longueur inférieure à 70mm. En outre, la partie utile 21 présente, de préférence, une largeur comprise entre 10 et 20mm
Par ailleurs, le volume de la partie utile 21 est, de préférence, égal au volume des éprouvettes d’essai standards afin qu’il soit possible de comparer les résultats obtenus avec ceux des éprouvettes d’essai standards. Ainsi, le volume de la partie utile 21 est par exemple, égal à 700m3.
La figure 4 est une vue en coupe transversale de l’éprouvette d’essai 20 illustrée à la figure 3.
En référence à la figure 4, la partie utile 21 présente deux bords longitudinaux 211 formant les zones à caractériser. Ainsi, chacun des bords longitudinaux 211 présente une épaisseur e1sensiblement identique à l’épaisseur du bord de fuite 11 à caractériser. Ainsi, l’épaisseur e1de chaque bord longitudinal 211 est, de préférence, comprise entre 0.3mm et 1mm.
Par ailleurs, la partie utile 21 comporte une portion longitudinale centrale 212 située entre les deux bords longitudinaux 211, à égale distance de ces derniers. La portion longitudinale centrale 212 présente une épaisseur e2, supérieure à la l’épaisseur e1de chaque bord longitudinal 211, de préférence comprise entre 1 et 3mm.
En outre, la partie utile 21 comporte deux portions intermédiaires 213 disposées entre la portion longitudinale centrale 212 et chaque bord longitudinal 211. Chaque portion intermédiaire 213 présente une épaisseur e3, supérieure à l’épaisseur e1de chaque bord longitudinal 211 et inférieure à l’épaisseur e2de la portion longitudinale centrale 212. L’épaisseur e3de chaque portion intermédiaire 213 diminue progressivement entre la portion longitudinale centrale 212 et chaque bord longitudinal 211. De préférence, l’épaisseur e3de chaque portion intermédiaire 213 est comprise entre 0.6 et 2mm.
En outre, l’éprouvette d’essai 20 comporte une portion de raccordement 214 agencée entre la partie utile 21 et chacune des têtes 22, 23. Comme on peut le voir sur la figure 3, les portions de raccordement 214 présentent une largeur et une épaisseur supérieures, respectivement, à la largueur et à l’épaisseur de la partie utile 21. Ainsi, les portions de raccordement 214 présentent, par exemple, une largueur comprise entre 10 et 20mm et une épaisseur comprise entre 3 et 7mm. En outre, de manière avantageuse, la longueur de chaque portion de raccordement 214 est comprise entre 10 et 15mm de manière à limiter la contrainte en sortie du rayon de raccordement sans générer de défauts liés au procédé de fonderie.
Avantageusement, les têtes 22, 23 assurent le maintien de l’éprouvette d’essai 20 dans le banc d’essai. Les têtes 22, 23 sont fixées à un bâti du banc d’essai par des moyens d’accrochages
Selon le mode de réalisation de la figure 3, les têtes 22, 23 présentent une forme sensiblement cylindrique. Avantageusement, le diamètre d des têtes 22, 23 est choisi de manière à limiter les contraintes au niveau des têtes 22, 23. Ainsi, le diamètre d des têtes 22, 23 est choisi de manière à ce que la section de chaque tête soit, de préférence, au moins trois fois égale à la section de la partie utile, par exemple 15mm. De plus, les têtes 22, 23 de l’éprouvette d’essai 20 s’étendent avantageusement sur une longueur choisie de sorte que la surface de contact avec les moyens d’accrochage soit supérieure à 100mm2. En outre, les têtes 22, 23 peuvent présenter un filetage externe adapté pour être vissé sur un taraudage complémentaire du banc d’essai de manière à assurer la fixation de l’éprouvette d’essai 20 sur le banc d’essai.
La figure 5 illustre une éprouvette d’essai 30 selon un deuxième mode de réalisation.
Comme on peut le voir sur la figure 5, la partie utile 31 de l’éprouvette d’essai 30 est identique à la partie utile 21 de l’éprouvette d’essai 20 illustrée à la figure 3.
Toutefois, à la différence de l’éprouvette d’essai 20 selon le premier mode de réalisation, les têtes 32, 33 ne sont plus cylindriques mais sensiblement planes, en forme de lame. Une telle géométrie des têtes 32, 33 permet d’alléger les contraintes lors du refroidissement de l’éprouvette d’essai 30, i.e. durant sa fabrication, et de limiter la présence de grains recristallisés au niveau des têtes 32, 33 de l’éprouvette d’essai 30 lors de l’utilisation de moyens de fonderie à solidification dirigée.
Également dans ce mode de réalisation, les têtes 32, 33 présentent une épaisseur e4choisie de manière à limiter les contraintes au niveau desdites têtes 32, 33. En particulier, les têtes 32, 33 de l’éprouvette d’essai 30 présentent une épaisseur e4telle que la section de chacune desdites têtes 32, 33 est au moins trois fois égale à la section de la partie utile 31, par exemple 5mm. De plus, les têtes 32, 33 s’étendent avantageusement sur une longueur choisie de manière à ce que la surface de contact avec les moyens d’accrochage soit supérieure à 100mm2. A noter que dans ce mode de réalisation les moyens d’accrochage sont par exemple formés par deux mors serrés soit de manière hydraulique soit par des vis.
En outre, l’éprouvette d’essai 30 comporte également une portion de raccordement 314 entre la partie utile 31 et chacune des têtes 32, 33. Comme on peut le voir sur la figure 5, les portions de raccordement 314 présentent une largeur et une épaisseur supérieures, respectivement, à la largueur et à l’épaisseur de la partie utile 31. Ainsi, les portions de raccordement 314 présentent par exemple une largueur comprise entre 10 et 25mm et une épaisseur comprise entre 1 et 5mm. En outre, la longueur de chaque portion de raccordement 314 est avantageusement comprise entre 10 et 15mm afin de limiter la contrainte en sortie de rayon de raccordement sans générer de défauts liés au procédé de fonderie.
Comme indiqué précédemment, les éprouvettes d’essai 20, 30 décrites ci-dessus sont obtenues par une technique de fonderie à la cire perdue.
Ainsi, selon un mode de réalisation de l’invention, le procédé de fabrication des éprouvettes d’essai 20, 30 comprend les étapes suivantes :
  • réaliser un modèle en cire correspondant à la réplique exacte de l’éprouvette d’essai 20, 30 à fabriquer,
  • recouvrir le modèle en cire d’une pluralité de couches de céramique pour former un moule carapace,
  • éliminer la cire pour obtenir le moule carapace dont la cavité reproduit les moindres détails de l’éprouvette d’essai 20, 30,
  • cuire le moule carapace à haute température,
  • préchauffer le moule carapace,
  • verser le métal en fusion à l’intérieur du moule carapace,
  • refroidir le métal présent à l’intérieur du moule carapace,
  • détruire le moule carapace une fois le métal refroidi qui correspond à l’éprouvette d’essai 20, 30.
Avantageusement, lorsque les têtes 22, 23 sont de forme cylindrique, le procédé de fabrication peut comprendre une étape supplémentaire consistant à usiner les têtes 22, 23 de l’éprouvette d’essai 20 de manière à réaliser un filetage externe.
Les modes de réalisation décrits ci-dessus ne sont nullement limitatifs, et des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre de l’invention.

Claims (10)

  1. Eprouvette d’essai (20, 30) ayant une géométrie représentative d’un bord de fuite (11) d’aube (1) de turbomachine, l’éprouvette d’essai (20, 30) comportant une première tête (22, 32), une seconde tête (23, 33) et une partie utile (21, 31) s’étendant longitudinalement entre la première tête (22, 32) et la seconde tête (23, 33), l’éprouvette d’essai (20, 30) étant caractérisée en ce que la partie utile (21, 31) comprend :
    • deux bords longitudinaux (211, 311), d’épaisseur (e1), formant des zones à caractériser, l’épaisseur (e1) de chacun des bords longitudinaux (211, 311) étant identique à l’épaisseur du bord de fuite (11),
    • une portion longitudinale centrale (212, 312), d’épaisseur (e2), agencée entre les deux bords longitudinaux (211, 311), l’épaisseur (e2) de la portion longitudinale centrale (212, 312) étant supérieure à l’épaisseur (e1) de chacun des bords longitudinaux (211, 311).
  2. Eprouvette d’essai (20, 30) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l’épaisseur (e2) de la portion longitudinale centrale (212, 312) est comprise entre 1 et 3mm.
  3. Eprouvette d’essai (20, 30) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la partie utile (21, 31) présente une longueur comprise entre 50 et 100mm.
  4. Eprouvette d’essai (20, 30) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte deux portions intermédiaires (213, 313), d’épaisseur (e3), disposées entre la portion longitudinale centrale (212, 312) et chaque bord longitudinal (211, 311).
  5. Eprouvette d’essai (20, 30) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l’épaisseur (e3) de chaque portion intermédiaire (213, 313) diminue progressivement depuis la portion longitudinale centrale (212, 312) jusqu’à chaque bord longitudinal (211, 311).
  6. Eprouvette d’essai (20, 30) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les têtes (22, 23) présentent une forme sensiblement cylindrique.
  7. Eprouvette d’essai (20, 30) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les têtes (22, 23) présentent un filetage externe.
  8. Eprouvette d’essai (20, 30) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les têtes (32, 33) sont en forme de lame.
  9. Eprouvette d’essai (20, 30) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque tête (22, 23) présente une section au moins trois fois égale à la section de la partie utile (21, 31).
  10. Procédé de fabrication d’une éprouvette d’essai (20, 30) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend la fabrication de l’éprouvette d’essai (20, 30) par fonderie.
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