FR3112821A1 - Bouclier pour aube en materiau composite, aube et turbomachine comprenant le bouclier, procede de fabrication de l’aube - Google Patents

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Abstract

Bouclier (20) de bord d’attaque pour une aube (16) comprenant un corps d’aube (18) en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres et comportant un bord d’attaque (24) et une tête d’aube (28), le bouclier (20) de bord d’attaque étant en un alliage métallique ayant une raideur supérieure à celle du matériau composite du corps d’aube (18), le bouclier (20) de bord d’attaque comportant une ailette intrados, une ailette extrados, un nez configuré pour chevaucher le bord d’attaque du corps d’aube en reliant l’ailette intrados et l’ailette extrados et un capot configuré pour chevaucher au moins partiellement la tête d’aube (28) en en reliant l’ailette intrados et l’ailette extrados, le capot présentant une épaisseur décroissante de l’amont vers l’aval. Aube et turbomachine comprenant le bouclier et procédé de fabrication de l’aube. Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

BOUCLIER POUR AUBE EN MATERIAU COMPOSITE, AUBE ET TURBOMACHINE COMPRENANT LE BOUCLIER, PROCEDE DE FABRICATION DE L’AUBE
Le présent exposé concerne un bouclier de bord d’attaque pour aube de turbomachine, en particulier un bouclier de bord d’attaque d’une aube en matériau composite.
De tels boucliers de bord d’attaque sont typiquement destinés à protéger les bords d’attaque d’aubes tournantes ou d’aubes directrices contre les impacts et l’érosion. On entend par « aubes », dans ce contexte, tant les aubes de soufflante que les pales d’hélice aérienne. Afin de limiter leur poids, ces aubes sont typiquement en composite à matrice organique, par exemple en polymère renforcée par des fibres. Bien que ces matériaux présentent des qualités mécaniques généralement très favorables, en particulier par rapport à leur masse, ils présentent une certaine sensibilité aux impacts ponctuels. Des boucliers, typiquement en matériau métallique hautement résistant, comme les alliages de titane, sont donc normalement installés sur les bords d’attaque de telles aubes, afin de les protéger contre ces impacts. Ces impacts peuvent être la conséquence de l’ingestion de petits oiseaux dans le moteur, par exemple. Ces boucliers prennent normalement la forme d’une fine ailette intrados et une fine ailette extrados jointes par une section plus épaisse chevauchant le bord d’attaque, l’ensemble épousant la forme de l’aube sur le bord d’attaque et des sections adjacentes de l’intrados et de l’extrados. Les ailettes intrados et extrados s’étendent sur ces sections de, respectivement, l’intrados et l’extrados de l’aube, et servent principalement à assurer le positionnement et la fixation du bouclier sur le bord d’attaque.
On connait de FR2906320 un bouclier de bord d’attaque permettant de réduire l’endommagement de l’aube en matériau composite lors d’impact d’un corps étranger.
Afin d’améliorer les performances aérodynamiques des aubes, leurs bords d’attaque présentent des formes de plus en plus complexes, ce qui complique la fabrication des boucliers devant épouser ces formes ainsi que la solidarisation du bouclier sur l’aube.
Par ailleurs, lors d’impacts sur une aube, par exemple l’ingestion d’un oiseau, le bouclier peut se désolidariser au moins partiellement du bord d’attaque de l’aube en composite et engendrer une altération des performances aérodynamiques liée à la dégradation de l’aérodynamisme de l’aube.
En plus du décollement partiel du bouclier en tête d’aube, un endommagement, également appelé « effet charnière », peut être observé sur le bouclier.
En outre, si une portion du bouclier est arrachée, le bord d’attaque de l’aube n’est plus protégé sur toute sa hauteur, le composite au bord d’attaque de l’aube mis à nu est soumis aux agressions de l’environnement extérieur. Le profil qui en résulte est généralement irrégulier ce qui entraîne également une perte d’aérodynamisme.
Suite à ces endommagements, il faut généralement réparer l’aube et/ou la remplacer.
Le présent exposé vise à remédier au moins en partie à ces inconvénients.
A cet effet, le présent exposé concerne un bouclier de bord d’attaque pour une aube comprenant un corps d’aube en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres et comportant un bord d’attaque et une tête d’aube, le bouclier de bord d’attaque étant en un alliage métallique ayant une raideur supérieure à celle du matériau composite du corps d’aube, le bouclier de bord d’attaque comportant une ailette intrados, une ailette extrados, un nez configuré pour chevaucher le bord d’attaque du corps d’aube en reliant l’ailette intrados et l’ailette extrados et un capot configuré pour chevaucher au moins partiellement la tête d’aube en en reliant l’ailette intrados et l’ailette extrados, le capot présentant une épaisseur décroissante de l’amont vers l’aval.
Grâce à l’épaisseur décroissante du capot, en allant de l’amont vers l’aval, il est possible, une fois le bouclier monté sur le corps d’aube de faire varier la raideur le long de la corde, la corde étant une ligne imaginaire entre le bord d’attaque et le bord de fuite, et de réduire la chute de raideur lors de la transition entre le capot et le corps d’aube en tête d’aube. Ainsi, en permettant d’optimiser les dégradations de décollement, il est possible de réduire les risques de dégradation de carter lors d’une ingestion de corps étranger dans la turbomachine.
Cette zone de transition est une zone de concentration de contrainte et donc une zone privilégiée d’initiation d’endommagement. En réduisant la chute de raideur lors de la transition entre le capot et le corps d’aube en tête d’aube, en comparaison à un capot d’épaisseur constante, il est possible de limiter la concentration de contrainte et donc de réduire les risques d’endommagement.
Par ailleurs, grâce au capot, les risques de désolidarisation des ailettes est réduit en comparaison à un bouclier de bord d’attaque sans capot.
On comprend que l’épaisseur est décroissante de manière continue. Notamment, il n’est pas formé d’escaliers.
Dans certains modes de réalisation, le bouclier est fabriqué par usinage d’une préforme de bouclier et/ou par fabrication additive.
On comprend que le bouclier est monolithique, le capot étant venu de matière avec le nez et les ailettes du bouclier, de sorte que la partie amont de la tête d’aube est protégée par le capot.
Dans certains modes de réalisation, le capot peut présenter un bord libre aval configuré pour être collé sur la tête d’aube et une épaisseur minimale sur le bord libre aval étant inférieure ou égale à 20% d’une épaisseur maximale du capot.
Dans certains modes de réalisation, l’épaisseur minimale du bord libre aval peut être inférieure ou égale à 1 mm (millimètre), de préférence inférieure ou égale à 0,5 mm.
Dans certains modes de réalisation, l’épaisseur maximale du capot est inférieure ou égale à 7 mm, de préférence inférieure ou égale à 5 mm.
Le présent exposé concerne également une aube comprenant un corps d’aube en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres et comportant un bord d’attaque et une tête d’aube et un bouclier tel que défini précédemment, le bouclier étant collé sur le corps d’aube et recouvrant le bord d’attaque et au moins partiellement la tête d’aube.
Le présent exposé concerne également une turbomachine comprenant une aube telle que définie précédemment.
Le présent exposé concerne également un procédé de fabrication d’une aube comprenant un corps d’aube en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres et comportant un bord d’attaque et une tête d’aube, le procédé comprenant les étapes suivantes :
  • fabrication d’un bouclier de bord d’attaque tel que défini précédemment ;
  • usinage de la tête d’aube de sorte que le corps d’aube présente une hauteur croissante du bord d’attaque vers l’aval ;
  • collage du bouclier de bord d’attaque sur le corps d’aube ;
  • usinage du bouclier de bord d’attaque et du corps d’aube de sorte que le capot présente un bord libre aval d’épaisseur nulle.
Grâce au procédé de fabrication, il est possible de fabriquer une aube dont le capot présente une épaisseur décroissante jusqu’à être nulle et donc réduire la chute de raideur lorsque l’on passe en tête d’aube du capot au corps d’aube.
Dans certains modes de réalisation, le bouclier est fabriqué par usinage d’une préforme de bouclier et/ou par fabrication additive.
On comprend que le bouclier est monolithique, le capot étant venu de matière avec le nez et les ailettes du bouclier, de sorte que la partie amont de la tête d’aube est protégée par le capot.
D'autres caractéristiques et avantages de l'objet du présent exposé ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées.
La figure 1 est une vue schématique en perspective d’un turboréacteur à double flux.
La figure 2 est une vue schématique en perspective d’une aube tournante de la soufflante du turboréacteur de la figure 1 selon un mode de réalisation de l’aube.
La figure 3 est un ordinogramme représentant les étapes d’un procédé de fabrication de l’aube de la figure 2.
La figure 4 est une vue schématique partielle en perspective d’un bouclier selon un mode de réalisation.
La figure 5 est une vue en coupe selon le plan V-V de la figure 4.
La figure 6 est une vue schématique partielle en perspective d’une étape du procédé.
La figure 7 est une vue schématique partielle en perspective d’une étape du procédé.
Sur l’ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques.
Description détaillée
La figure 1 illustre un turboréacteur à double flux 10, qui est un exemple non-limitatif de turbomachine, comprenant un groupe générateur de gaz 12 et une soufflante 14. Cette soufflante 14 comprend une pluralité d’aubes tournantes 16, arrangées radialement autour d’un axe central X, et profilées aérodynamiquement de manière à impulser l’air par leur rotation.
Ainsi, comme illustré sur la figure 2, chaque aube 16 comprend un corps d’aube 18 qui présente un bord d’attaque 24, un bord de fuite 22, un pied d’aube 26 et une tête d’aube 28.
En fonctionnement normal, le vent relatif est sensiblement orienté vers le bord d’attaque 24 de chaque aube 16. Ainsi, ce bord d’attaque24 est particulièrement exposé aux impacts. En particulier quand le corps d’aube 18 est en matériau composite, notamment à matrice polymère renforcée par des fibres, il convient de protéger le bord d’attaque 24 avec un bouclier 20 de bord d’attaque intégré à chaque aube.
Le bouclier 20 de bord d’attaque est en un matériau ayant une raideur supérieure à celle du matériau composite du corps d’aube. Le bouclier 20 de bord d’attaque est dans un matériau ayant une meilleure résistance aux impacts ponctuels que le matériau composite du corps d’aube. Le bouclier 20 de bord d’attaque est principalement métallique, et plus spécifiquement en alliage à base de titane, comme par exemple le TA6V (Ti-6Al-4V). Le bouclier 20 de bord d’attaque pourrait également être en acier ou en alliage à base de fer, de chrome et de nickel communément désigné par la marque déposée Inconel™. On parle par la suite d’Inconel pour désigner un tel alliage à base de fer de chrome et de nickel.
Sur toutes les figures, on a représenté en pointillé les zones pleines du bouclier 20.
Les figures 4 et 5 illustre le bouclier 20 qui présente une ailette intrados 30, une ailette extrados 32 et une section centrale plus épaisse destinée à chevaucher le bord d’attaque 24 du corps d’aube 18 et reliant l’ailette intrados 30 et l’ailette extrados 32. Les ailettes intrados et extrados 30, 32 assurent le positionnement du bouclier 20 sur le corps d’aube 18. La section centrale plus épaisse est également appelée le nez 34 du bouclier 20 de bord d’attaque. Le bouclier 20 présente également un capot 35 configuré pour venir couvrir au moins partiellement la tête d’aube 28, en particulier la partie amont de la tête d’aube. En tête d’aube 28, le nez 34 est prolongé par le capot 36. Les ailettes intrados et extrados 30, 32 se prolongent pour rejoindre un bord libre aval 38A du capot 36. Le bord libre aval 38A du capot 36 est à l’extrémité opposée du nez 34. Le bouclier 20 est monolithique, le capot 36 étant venu de matière avec le nez 34 et les ailettes intrados 30 et extrados 32.
Comme représenté sur la figure 4, le capot 36 comporte une épaisseur maximale Emax et une épaisseur minimale Emin. L’épaisseur du capot 36 varie de manière continue entre l’épaisseur maximale Emax et l’épaisseur minimale Emin.
A titre d’exemple non limitatif, l’épaisseur maximale Emax peut être égale à 5 mm et l’épaisseur minimale Emin peut être égale à 1 mm.
La figure 3 est un ordinogramme représentant les étapes d’un procédé 100 de fabrication de l’aube de la figure 2.
Le procédé 100 de fabrication de l’aube 16 comprenant le corps d’aube 18 en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres comprend une étape de fabrication 102 du bouclier 20 de bord d’attaque.
Le bouclier 20 est produit de manière connue. A titre d’exemples non limitatifs, le bouclier 20 peut être produit par usinage d’une préforme de bouclier et/ou par fabrication additive. Le bouclier 20 comprend un capot 36 présentant une épaisseur maximale Emax et une épaisseur minimale Emin, l’épaisseur minimale Emin n’étant pas nulle.
Le procédé 100 de fabrication comprend une étape d’usinage 104 de la tête d’aube de sorte que le corps d’aube présente une hauteur croissante du bord d’attaque vers l’aval.
On comprend que la tête d’aube présente une forme complémentaire de la forme du capot, en particulier d’une surface interne du capot 36 du bouclier 20.
Les étapes de fabrication 102 du bouclier 20 et d’usinage 104 de la tête d’aube 28 peuvent réalisées indépendamment l’une de l’autre. En particulier, elles peuvent être réalisées dans des ateliers différents et à différents moments, le bouclier 20 et le corps d’aube 18 dont la tête d’aube 28 a été usinée pouvant être ensuite rassemblé dans un atelier pour réaliser l’étape de collage 106 du bouclier 20 de bord d’attaque sur le corps d’aube 16 dont la tête d’aube 28 a été usinée, comme représenté sur la figure 6.
Le procédé 100 de fabrication comprend finalement une étape d’usinage 108 du bouclier de bord d’attaque et du corps d’aube de sorte que le capot 36 présente un bord libre aval 38 d’épaisseur nulle, à son extrémité aval radialement externe en tête d’aube.
Quoique le présent exposé ait été décrit en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (8)

  1. Bouclier (20) de bord d’attaque pour une aube (16) comprenant un corps d’aube (18) en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres et comportant un bord d’attaque (24) et une tête d’aube (28), le bouclier (20) de bord d’attaque étant en un alliage métallique ayant une raideur supérieure à celle du matériau composite du corps d’aube (18), le bouclier (20) de bord d’attaque comportant une ailette intrados (30), une ailette extrados (32), un nez (34) configuré pour chevaucher le bord d’attaque du corps d’aube en reliant l’ailette intrados et l’ailette extrados et un capot (36) configuré pour chevaucher au moins partiellement la tête d’aube (28) en en reliant l’ailette intrados (30) et l’ailette extrados (32), le capot (36) présentant une épaisseur décroissante de l’amont vers l’aval.
  2. Bouclier (20) selon la revendication 1, dans lequel le capot (36) présente un bord libre aval (38A) configuré pour être collé sur la tête d’aube (28) et une épaisseur minimale (Emin) sur le bord libre aval (38A) étant inférieure ou égale à 20% d’une épaisseur maximale (Emax) du capot (36).
  3. Bouclier (20) selon la revendication 2, dans lequel l’épaisseur minimale (Emax) du bord libre aval (38A) est inférieure ou égale à 1 mm, de préférence inférieure ou égale à 0,5 mm.
  4. Bouclier (20) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l’épaisseur maximale (Emax) du capot est inférieure ou égale à 7 mm, de préférence inférieure ou égale à 5 mm.
  5. Aube (16) comprenant un corps d’aube (18) en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres et comportant un bord d’attaque (24) et une tête d’aube (28) et un bouclier (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, le bouclier (20) étant collé sur le corps d’aube (16) et recouvrant le bord d’attaque (24) et au moins partiellement la tête d’aube (28).
  6. Turbomachine comprenant une aube (16) selon la revendication 5.
  7. Procédé (100) de fabrication d’une aube (16) comprenant un corps d’aube (18) en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres et comportant un bord d’attaque (24) et une tête d’aube (28), le procédé (100) comprenant les étapes suivantes :
    • fabrication (102) d’un bouclier (20) de bord d’attaque selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 ;
    • usinage (104) de la tête d’aube (28) de sorte que le corps d’aube (18) présente une hauteur croissante du bord d’attaque (24) vers l’aval ;
    • collage (106) du bouclier (20) de bord d’attaque sur le corps d’aube (18) ;
    • usinage (108) du bouclier (20) de bord d’attaque et du corps d’aube (18) de sorte que le capot (36) présente un bord libre aval (38) d’épaisseur nulle.
  8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le bouclier est fabriqué par usinage d’une préforme de bouclier et/ou par fabrication additive
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