FR3112822A1 - Aube en materiau composite avec un bouclier, et turbomachine comprenant l’aube - Google Patents

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Abstract

Aube (16) comprenant un corps d’aube (18) en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres comportant un bord d’attaque (24) et un bouclier (20) de bord d’attaque en un matériau ayant une raideur supérieure à celle du matériau composite du corps d’aube (18), le bouclier (20) de bord d’attaque étant collé sur le corps d’aube (18) et comportant une ailette intrados et une ailette extrados jointes par un nez chevauchant le bord d’attaque (24), l’ailette intrados et/ou l’ailette extrados comprenant une pluralité de trous (30) disposés dans un tiers supérieur et dans une moitié aval de l’ailette. Turbomachine comprenant une telle aube. Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

AUBE EN MATERIAU COMPOSITE AVEC UN BOUCLIER, ET TURBOMACHINE COMPRENANT 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 de l’aube, également appelé « effet charnière », peut être observé. Cet endommagement est notamment dû aux efforts exercés par les ailettes sur l’aube lors de mouvements de rotation du bouclier par rapport à l’aube.
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 une aube comprenant un corps d’aube en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres comportant un bord d’attaque et un bouclier de bord d’attaque en un matériau ayant une raideur supérieure à celle du matériau composite du corps d’aube, le bouclier de bord d’attaque étant collé sur le corps d’aube et comportant une ailette intrados et une ailette extrados jointes par un nez chevauchant le bord d’attaque, l’ailette intrados et/ou l’ailette extrados comprenant une pluralité de trous disposés dans un tiers supérieur et dans une moitié aval de l’ailette.
On comprend que l’ailette intrados ou l’ailette extrados ou l’ailette intrados et l’ailette extrados peuvent comprendre les trous.
Grâce à la présence de la pluralité de trous et à leur localisation, il est possible de réduire les risques de désolidarisation du bouclier de bord d’attaque du corps d’aube lors d’impacts ponctuels, tels que l’ingestion de petits oiseaux dans le moteur. En effet, lors de tels impacts, notamment sur le corps d’aube et à proximité du bouclier de bord d’attaque, la discontinuité de raideur de l’aube due à la présence du bouclier de bord d’attaque peut entraîner une désolidarisation partielle du bouclier. De par la présence des trous et leur localisation, il est possible de réduire la différence de raideur de l’aube à la transition avec le bouclier et de ce fait de mieux répartir l’impact dans l’aube.
A faible vitesse de rotation, la présence des trous peut permettre de réduire l’effet de plastification de l’ailette lors d’un décollement partiel et ainsi de réduire la perte de poussée. A l’inverse, à vitesse élevée de rotation, la présence des trous peut créer une zone fusible de l’ailette pouvant ainsi permettre également de réduire la perte de poussée. 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.
On comprend donc que les trous sont présents dans le bouclier et ne sont pas disposés en vis-à-vis de trous du corps d’aube pour permettre le passage d’un élément de fixation du bouclier de bord d’attaque sur le corps d’aube.
La moitié aval de l’ailette est mesurée le long de la corde de l’aube.
On comprend que les trous doivent se trouver dans la moitié aval de l’ailette. Cependant, des trous peuvent également se trouver dans la moitié amont de l’ailette.
Dans certains modes de réalisation, les trous peuvent comprendre des trous traversant.
Dans certains modes de réalisation, le bouclier de bord d’attaque est collé sur le corps d’aube par une colle, la colle ayant flué dans les trous traversant.
Le fluage de la colle dans les trous traversant peut permettre une meilleure solidarisation de l’ailette sur le corps d’aube.
Dans certains modes de réalisation, les trous peuvent comprendre des trous borgnes.
On comprend que l’ailette peut comprendre des trous traversant et/ou des trous borgnes.
Dans certains modes de réalisation, au moins deux trous peuvent avoir des dimensions différentes.
Dans certains modes de réalisation, la dimension des trous peut augmenter en allant de l’amont vers l’aval de l’aube.
Dans certains modes de réalisation, la dimension des trous peut augmenter en allant de l’aval vers l’amont de l’aube.
Dans certains modes de réalisation, la concentration des trous peut augmenter en allant de l’amont vers l’aval de l’aube.
On entend par concentration des trous le nombre de trou par unité de surface.
Dans certains modes de réalisation, la concentration des trous peut diminuer en allant de l’amont vers l’aval de l’aube.
Le présent exposé concerne également une turbomachine comprenant une aube telle que définie précédemment.
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 est une vue schématique en perspective d’un turboréacteur à double flux.
La est une vue schématique en perspective d’une aube tournante de la soufflante du turboréacteur de la selon un premier mode de réalisation de l’aube.
La est une vue schématique partielle en perspective d’une aube tournante de la soufflante du turboréacteur de la selon un autre mode de réalisation de l’aube.
La est une vue schématique partielle en perspective d’une aube tournante de la soufflante du turboréacteur de la selon un autre mode de réalisation de l’aube.
La est une vue schématique partielle en perspective d’une aube tournante de la soufflante du turboréacteur de la selon un autre mode de réalisation de l’aube.
La est une vue schématique en coupe selon le plan VIII-VIII de la pour une aube de l’état de la technique.
La est un graphique de la raideur en fonction de la corde de l’aube dans un plan de coupe de la .
La est une vue schématique en coupe selon le plan VIII-VIII de la pour une aube selon un mode de réalisation.
La est un graphique de la raideur en fonction de la corde de l’aube dans un plan de coupe de la .
Sur l’ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques.
Description détaillée
La 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 A, et profilées aérodynamiquement de manière à impulser l’air par leur rotation.
Ainsi, comme illustré sur la , 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.
La illustre le bouclier 20 qui présente une ailette intrados 38, une ailette extrados 36 et une section centrale plus épaisse destinée à chevaucher le bord d’attaque 24 du corps d’aube 18 et reliant l’ailette intrados 38 et l’ailette extrados 36. Les ailettes intrados et extrados 38, 36 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 comporte également une extrémité radialement interne disposée du côté du pied d’aube 26 et une extrémité radialement externe disposée en tête d’aube 28.
A l’opposé du nez 34, les ailettes intrados et extrados 38, 36 comportent chacune un bord libre 42.
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.
Dans les modes de réalisation des figures 2 à 4, l’ailette intrados 38 comporte des trous 30 traversant disposés dans un tiers supérieur l’ailette intrados 38, c’est-à-dire dans le tiers de l’ailette intrados 38 partant de la tête d’aube 28, et dans une moitié aval de l’ailette intrados 38, c’est-à-dire dans la moitié de l’ailette intrados 38 partant du bord libre 42 de l’ailette.
On comprend que le terme aval est en référence à l’écoulement des flux le long de l’aube 16.
Dans le mode de réalisation de la , l’ailette intrados 38 comporte des trous 32 borgnes disposés dans un tiers supérieur l’ailette intrados 38, c’est-à-dire dans le tiers de l’ailette intrados 38 partant de la tête d’aube 28, et dans une moitié aval de l’ailette intrados 38, c’est-à-dire dans la moitié de l’ailette intrados 38 partant du bord libre 42 de l’ailette.
Dans le mode de réalisation de la , au moins deux trous 30A, 30B traversant présentent des dimensions différentes. Les trous 30A traversant présentent une dimension supérieure aux trous 30B traversant se trouvant le plus proche du bord libre 42 de l’ailette. Par ailleurs, on notera que la concentration des trous 30B traversant les plus proches du bord libre 42 de l’ailette est supérieure à la concentration des trous 30A traversant de dimension supérieure.
Dans ce qui suit, les éléments communs aux différents modes de réalisation sont identifiés par les mêmes références numériques.
Dans le mode de réalisation de la , au moins deux trous 30A, 30B traversant présentent des dimensions différentes. Les trous 30A traversant présentent une dimension supérieure aux trous 30B traversant et les trous 30B traversant présentent une dimension supérieure aux trous 30A traversant. Les trous 30A traversant sont les plus proches du bord libre 42 de l’ailette. Par ailleurs, on notera que la concentration des trous 30C traversant les plus éloignés du bord libre 42 de l’ailette est supérieure à la concentration des trous 30A traversant les plus proches du bord libre 42 de l’ailette.
Dans le mode de réalisation de la , les trous 30 traversant présentent une même dimension. Par ailleurs, on notera que la concentration des trous 30 traversant les plus proches du bord libre 42 de l’ailette est supérieure à la concentration des trous 30 traversant les plus éloignés du bord libre 42 de l’ailette. On notera également qu’en tête d’aube certains trous 30 traversant sont disposés dans la moitié amont de l’ailette.
Dans le mode de réalisation de la , au moins deux trous 32 borgnes présentent des dimensions différentes. Dans le mode de réalisation de la , les trous borgnes 32 sont formés par des rainures. Au fur et à mesure que l’on s’approche du bord libre 42 de l’ailette, les rainures présentent une largeur qui augmente et une longueur qui augmente.
La représente une vue en coupe d’une aube connue, dans laquelle le bouclier 20 est collé sur le corps d’aube 18 en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres par une colle 40. Le bouclier 20 de la est dépourvu de trous.
La est un graphique présentant l’évolution de la raideur (en axe Y – unité arbitraire) en fonction de la corde (en axe X – unité arbitraire) de l’aube dans le plan de coupe de la . La comprend également une vue partielle de l’ailette extrados 36. La corde étant une ligne imaginaire entre le bord de d’attaque 24 et le bord de fuite 22.
Comme représenté sur la , le nez 34 du bouclier 20 de bord d’attaque présente une raideur supérieure à la raideur des autres parties de l’aube 16 (zone I de la ).
En partant du nez 34 et en allant vers le bord libre 42, l’ailette extrados 36 présente une portion d’épaisseur décroissante 36A et une portion d’épaisseur constante 36B.
Dans la zone II, correspondant à la portion d’épaisseur décroissante 36A de l’ailette extrados 36, la raideur de l’aube décroit. Cela est dû à l’épaisseur décroissante de l’ailette et à l’épaisseur croissante du corps d’aube 18.
Dans la zone III, correspondant à la portion d’épaisseur constante 36B de l’ailette extrados 36, la raideur de l’aube est constante. Cela est dû à l’épaisseur constante de l’ailette et à l’épaisseur constante du corps d’aube 18.
Dans la zone IV, correspondant au corps d’aube 18 non recouvert par le bouclier 20, la raideur est constante.
Comme représenté sur la , il y a une chute 50 brusque de la raideur de l’aube entre la zone III et la zone IV.
La est une vue en coupe selon le plan de coupe VIII-VIII de la .
Dans le mode de réalisation de la , le bouclier 20 est collé sur le corps d’aube 18 en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres par une colle 40 et les trous 30 traversant sont disposés sur l’ailette intrados 38. La colle 40 a flué dans les trous 30 traversant.
La est un graphique présentant l’évolution de la raideur (en axe Y – unité arbitraire) en fonction de la corde (en axe X – unité arbitraire) La comprend également une vue partielle de l’ailette extrados 36, les trous 30 traversant sont disposés sur l’ailette extrados 36.
Comme représenté sur la , le nez 34 du bouclier 20 de bord d’attaque présente une raideur supérieure à la raideur des autres parties de l’aube 16 (zone I de la ).
En partant du nez 34 et en allant vers le bord libre 42, l’ailette extrados 36 présente une portion d’épaisseur décroissante 36A et une portion d’épaisseur constante 36B.
Dans la zone II, correspondant à la portion d’épaisseur décroissante 36A de l’ailette extrados 36, la raideur de l’aube décroit. Cela est dû à l’épaisseur décroissante de l’ailette et à l’épaisseur croissante du corps d’aube 18.
Dans la zone III, correspondant à la portion d’épaisseur constante 36B de l’ailette extrados 36, la raideur de l’aube décroit. Cela est dû à l’épaisseur constante de l’ailette et à l’épaisseur constante du corps d’aube 18 et à la présence des trous 30 traversant.
Dans la zone IV, correspondant au corps d’aube 18 non recouvert par le bouclier 20, la raideur est constante.
Comme représenté sur la , on constate que la chute 50 de la raideur de l’aube entre la zone III et la zone IV est réduite pour une ailette comprenant des trous traversant en comparaison d’une ailette ne comportant pas de trous.
Le même phénomène est observé pour des trous borgnes.
Grâce à cette réduction de la chute de raideur, il est possible de réduire les risques de désolidarisation du bouclier, notamment lors d’impacts sur une aube, par exemple l’ingestion d’un oiseau.
Les trous peuvent être également présents sur la partie d’épaisseur décroissante de l’ailette.
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 (10)

  1. Aube (16) comprenant un corps d’aube (18) en matériau composite à matrice organique renforcée par des fibres comportant un bord d’attaque (24) et un bouclier (20) de bord d’attaque en un matériau ayant une raideur supérieure à celle du matériau composite du corps d’aube (18), le bouclier (20) de bord d’attaque étant collé sur le corps d’aube (18) et comportant une ailette intrados (38) et une ailette extrados (36) jointes par un nez (34) chevauchant le bord d’attaque (24), l’ailette intrados et/ou l’ailette extrados comprenant une pluralité de trous (30, 32) disposés dans un tiers supérieur et dans une moitié aval de l’ailette.
  2. Aube (16) selon la revendication 1, dans laquelle les trous comprennent des trous (30) traversant.
  3. Aube (16) selon la revendication 2, dans laquelle le bouclier (20) de bord d’attaque est collé sur le corps d’aube (18) par une colle (40), la colle (40) ayant flué dans les trous (30) traversant.
  4. Aube (16) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les trous comprennent des trous (32) borgnes.
  5. Aube (16) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle au moins deux trous (30, 32) ont des dimensions différentes.
  6. Aube (16) selon la revendication 5, dans laquelle la dimension des trous (30, 32) augmente en allant de l’amont vers l’aval de l’aube.
  7. Aube (16) selon la revendication 5, dans laquelle la dimension des trous (30, 32) augmente en allant de l’aval vers l’amont de l’aube.
  8. Aube (16) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la concentration des trous (30, 32) augmente en allant de l’amont vers l’aval de l’aube.
  9. Aube (16) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la concentration des trous (30, 32) diminue en allant de l’amont vers l’aval de l’aube.
  10. Turbomachine comprenant une aube selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
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