FR3116863A1 - Procede de fabrication d’une aube composite de turbomachine d’aeronef - Google Patents

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Abstract

Procédé de fabrication d’une aube (10) en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, cette aube comportant une pale aérodynamique (12) s’étendant entre deux plateformes (14, 16) situées respectivement dans deux plans (P1, P2) sensiblement parallèles et perpendiculaires à un axe d’allongement (A) de la pale, caractérisé en ce que la pale et les plateformes sont obtenues par compression et chauffage d’une préforme, cette préforme étant réalisée par superposition de plusieurs nappes (22-28) de fibres imprégnées d’une résine thermodurcissable, au moins certaines de ces nappes (26, 28) s’étendant le long de l’axe d’allongement ainsi que dans le plan d’au moins une des plateformes en passant par des zones de liaison (Z1, Z2) entre la pale et les plateformes de façon à ce qu’il y ait une continuité des nappes dans ces zones. Figure pour l'abrégé : Figure 2

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UNE AUBE COMPOSITE DE TURBOMACHINE D’AERONEF
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une aube en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef.
Arrière-plan technique
L’utilisation de matériaux composites est particulièrement avantageuse dans l’industrie aéronautique car ces matériaux sont relativement légers et ont de bonnes propriétés mécaniques.
Un matériau composite classiquement utilisé pour l’aéronautique comprend une préforme fibreuse noyée dans une résine polymérique. La préforme peut être issue d’un tissage en trois dimensions ou peut être obtenue par drapage et superposition de plusieurs nappes ou tissus.
La résine peut être injectée dans la préforme ou bien la préforme peut être préalablement imprégnée avec la résine.
La mise en forme de la pièce finale est en général réalisée au moyen d’un outillage comportant un moule. Dans le cas où une résine doit être injectée dans une préforme, la préforme est disposée dans la cavité d’un moule et le moule est recouvert d’un contre-moule. L’outillage comprend un port d’injection de résine dans la cavité du moule ainsi qu’un port de mise sous vide de la cavité du moule.
Dans le cas où la préforme est déjà imprégnée avec la résine, la préforme est disposée dans la cavité d’un moule qui peut être recouverte avec une bâche souple ou un contre-moule.
Une aube de stator ou un redresseur peut être réalisé en matériau composite. Une aube de ce type comprend une pale s’étendant entre deux plateformes. En fonctionnement de la turbomachine, ce type d’aube est principalement sollicité suivant une flexion de la pale. Les fixations et supports de l’aube se faisant au niveau des plateformes inférieure et/ou supérieure, les zones les plus contraintes sont les rayons de raccordement entre la pale et les plateformes.
L’état de l’art de ce type de pièce présente une fabrication de l’aube avec des plateformes qui sont rapportées vis-à-vis de la pale et collées pour assurer l’assemblage. Cette solution d’assemblage présente comme inconvénients une mauvaise transmission des efforts via l’interface collée ainsi que des problématiques de positionnement de la pale vis-à-vis des plateformes du fait du jeu entre ces ensembles pour l’insertion du joint de colle.
La présente invention propose un perfectionnement à la réalisation d’une aube composite de turbomachine.
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une aube en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, cette aube comportant une pale aérodynamique s’étendant entre deux plateformes situées respectivement dans deux plans sensiblement parallèles et perpendiculaires à un axe d’allongement de la pale, caractérisé en ce que la pale et les plateformes sont obtenues par compression et chauffage d’une préforme, cette préforme étant réalisée par superposition de plusieurs nappes de fibres imprégnées d’une résine thermodurcissable, au moins certaines de ces nappes s’étendant le long de l’axe d’allongement ainsi que dans le plan d’au moins une des plateformes en passant par des zones de liaison entre la pale et les plateformes de façon à ce qu’il y ait une continuité des nappes dans ces zones.
L’invention propose ainsi la réalisation de l’aube par des nappes dont au moins certaines passent par les zones de liaison de la pale aux plateformes et assurent ainsi une continuité entre les nappes de la pale et celle des plateformes. Cette continuité assure un renforcement des zones de liaison entre la pale et les plateformes et améliore donc la tenue mécanique et la durée de vie de la pale.
Le procédé selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des étapes ou caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres, ou en combinaison les unes avec les autres :
- au moins certaines des nappes s’étendent depuis le plan d’une des plateformes jusqu’au plan de l’autre des plateformes en passant par des zones de liaison entre la pale et les plateformes et le long de l’axe d’allongement de la pale ;
- la pale comprend un intrados et un extrados, au moins une des nappes, appelée nappe(s) latérale(s), s’étend depuis le plan d’une des plateformes jusqu’au plan de l’autre des plateformes en passant par des zones de liaison entre l’intrados de la pale et les plateformes et le long de l’axe d’allongement de la pale, et au moins une des nappes, appelée également nappe(s) latérale(s), s’étend depuis le plan d’une des plateformes jusqu’au plan de l’autre des plateformes en passant par des zones de liaison entre l’intrados de la pale et les plateformes et le long de l’axe d’allongement de la pale ;
- au moins deux nappes latérales s’étendent depuis le plan d’une des plateformes jusqu’au plan de l’autre des plateformes en passant par des zones de liaison entre l’intrados de la pale et les plateformes et le long de l’axe d’allongement de la pale, et au moins deux nappes latérales s’étendent depuis le plan d’une des plateformes jusqu’au plan de l’autre des plateformes en passant par des zones de liaison entre l’extrados de la pale et les plateformes et le long de l’axe d’allongement de la pale ;
- au moins une nappe centrale s’étend entre la ou les nappe(s) latérale(s) disposée(s) du côté de l’intrados de la pale, d’une part, et la ou les nappe(s) latérale(s) disposée(s) du côté de l’extrados de la pale, d’autre part ;
- au moins une nappe plane s’étend sensiblement dans le plan de chacune des plateformes ;
- le procédé comprend une étape préalable de préparation des nappes, chacune des nappes étant obtenue par découpe d’un tissu pour former des coupons de formes et dimensions prédéterminées, par disposition aléatoire et dans un même plan de ces coupons, puis par compression des coupons ainsi disposées ;
- le tissu comprend des fibres allongées disposées parallèlement les unes aux autres, ces fibres étant imprégnées de résine thermodurcissable et solidarisées les unes aux autres par cette résine ;
- la compression et le chauffage sont réalisés dans un outillage comportant un moule et un contre-moule.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d’un mode de réalisation non limitatif de l’invention en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 est une vue schématique en perspective d’une aube composite selon l’invention ;
la figure 2 est une vue très schématique en coupe transversale d’une aube composite selon l’invention ;
la figure 3 est une vue très schématique en coupe d’un outillage de fabrication d’une aube selon l’invention ;
la figure 4 est une vue schématique en perspective d’un coupon utilisé pour la fabrication d’une nappe ;
la figure 5 est une vue schématique en perspective d’une nappe se présentant sous la forme d’un rouleau et formée par des coupons du type de celui de la ; et
les figures 6a à 6c sont des vues similaires à celle de la et représentent des variantes de réalisation de l’invention.
Description détaillée de l'invention
On se réfère d’abord à la qui illustre une aube 10 en matériau composite pour une turbomachine, cette aube 10 étant par exemple une aube de stator de compresseur.
L’aube 10 comprend une pale 12 qui a un profil aérodynamique et comprend un intrados 12a et un extrados 12b, ainsi qu’un bord d’attaque 12c et un bord de fuite 12d. La pale 12 a une forme générale allongée le long d’un axe d’allongement A.
L’aube 10 comprend en outre deux plateformes, respectivement interne (ou inférieure) 14 et externe (ou supérieure) 16, situées aux extrémités longitudinales de la pale 12. Autrement dit, la pale 12 s’étend entre les plateformes 14, 16.
Les plateformes 14, 16 ont chacune une forme générale plane et s’étendent donc chacune dans un plan qui est noté P1 pour la plateforme 14 et P2 pour la plateforme 16. Les plans P1 et P2 sont sensiblement parallèles entre eux et perpendiculaires à l’axe A.
L’aube 10 est réalisée en matériau composite à partir d’une préforme fibreuse dont les fibres, par exemple en carbone, sont enrobées ou imprégnées de résine polymérisable et en particulier thermodurcissable ou réticulable (telle qu’une résine époxy).
L’outillage utilisé pour fabriquer l’aube 10 comprend un moule 18 et un contre-moule 20, le moule et le contre-moule définissant entre eux une cavité configurée pour recevoir la préforme fibreuse ( ).
Lors de la fabrication d’une aube 10, l’outillage est ouvert et une préforme fibreuse est disposée dans la cavité. Selon l’invention, cette disposition est faite avec des nappes préimprégnées de résine qui sont drapées et superposées dans la cavité. Cette étape peut être faite manuellement ou par l’intermédiaire d’un robot. L’outillage est ensuite fermé en fixant de manière étanche le contre-moule 20 sur le moule 18.
La préforme est comprimée dans l’outillage qui est chauffé pour augmenter la température de la résine et entraîner sa polymérisation.
Le concept de l’invention est schématiquement illustré à la et consiste à ce qu’au moins certaines des nappes utilisées pour fabriquer la préforme de l’aube 10 s’étendent le long de l’axe A ainsi que dans le plan P1, P2 d’au moins une des plateformes en passant par des zones Z1, Z2 de liaison entre la pale 12 et les plateformes 14, 16 de façon à ce qu’il y ait une continuité des nappes dans ces zones.
Dans l’exemple de réalisation représenté à la , quatre nappes sont schématiquement représentés par des traits même si la préforme pourrait comprendre un plus grand nombre de nappes.
La préforme comprend tout d’abord deux nappes planes 22, 24, la nappe 22 s’étendant dans le plan P1 est destinée à former la plateforme 14, et la nappe 24 s’étendant dans le plan P2 est destinée à former la plateforme 16.
La préforme comprend en outre des nappes, dites latérales, 26, 28. Une première nappe latérale 26 comprend une portion sensiblement plane s’étendant dans le plan P1 puis une autre portion sensiblement plane s’étendant dans le plan P2, ces deux portions étant reliées entre elles par une portion médiane s’étendant le long de l’axe A et du côté de l’intrados. Une seconde nappe latérale 28 comprend une portion sensiblement plane s’étendant dans le plan P1 puis une autre portion plane sensiblement plane s’étendant dans le plan P2, ces deux portions étant reliées entre elles par une portion médiane s’étendant le long de l’axe A et du côté de l’extrados.
Chaque nappe 26, 28 assure donc une continuité de matière fibreuse dans la zone de liaison Z1, Z2 ou de raccordement de la pale 12 aux plateformes 14, 16, et peut former ainsi des congés de raccordement ayant des rayons de courbure prédéterminés.
La nappe 26 assure une continuité du côté de l’intrados et la nappe 28 assure une continuité du côté de l’extrados.
Comme on le voit dans la représentation schématique de la préforme, les nappes 26, 28 ont une forme générale de C et sont orientées dans des directions opposées de façon à ce que leurs portions médianes s’étendent parallèlement à l’axe A pour former la pale 12, et leurs portions d’extrémité s’étendent dans les plans P1, P2 dans des directions opposées pour former les plateformes 14, 16.
Les figures 6a à 6c représentent des variantes de réalisation.
Dans le cas de la variante de la figure 6a, les nappes latérales sont au nombre de 4. Deux nappes latérales 26, 26’ en C, superposées et engagées l’une dans l’autre, ont leurs portions médianes qui s’étendent le long de l’axe A pour former l’intrados de la pale, et des portions d’extrémité qui s’étendent dans les plans P1, P2 pour former une moitié des plateformes 14, 16. Deux autres nappes latérales 28, 28’ en C, superposées et engagées l’une dans l’autre, ont leurs portions médianes qui s’étendent le long de l’axe A pour former l’extrados de la pale, et des portions d’extrémité qui s’étendent dans les plans P1, P2 pour former une moitié des plateformes 14, 16.
Dans la variante de la figure 6b, une nappe centrale 30 s’étend entre les nappes latérales 26, 28, et en particulier entre les portions médianes des nappes latérales. On comprend que la nappe centrale 30 est plus courte que les nappes 26, 28 car elle ne s’étend pas dans les plans P1, P2 mais uniquement le long de l’axe A.
Dans la variante de la figure 6c, plusieurs nappes centrales 30 superposées s’étendent entre les nappes latérales 26, 28, et en particulier entre les portions médianes des nappes latérales.
De manière générale, la superposition des nappes et leur drapage peuvent être réalisées directement dans le moule disposé à plat sur un support horizontal.
Les nappes peuvent être tissées ou non tissées.
Avantageusement, elles sont non tissées. Encore plus avantageusement, elles sont obtenues par des étapes préalables consistant à :
- découper un tissu pour former des coupons 32 de formes et dimensions prédéterminées, un coupon de forme rectangulaire étant par exemple représenté à la ;
- disposition aléatoire et dans un même plan de ces coupons 32 ;
- puis compression des coupons 32 ainsi disposées de façon à former la nappe qui peut se présenter sous la forme d’un rouleau 34, comme représenté à la .
De préférence, le tissu de départ peut comprendre des fibres allongées disposées parallèlement les unes aux autres, ces fibres étant imprégnées de résine thermodurcissable et solidarisées les unes aux autres par cette résine.
On comprend alors que la nappe de la comprendra plusieurs zones (chaque zone correspondant à un coupon 32) dans chacune desquelles les fibres seront toutes orientées parallèlement les unes aux autres. La nappe comprend ainsi un matériau composite à fibres longues discontinues (matériau aussi appelé DLF pour Discontinuous Long Fibers). L’avantage de ce matériau repose dans l’épaisseur relativement importante de ce type de matériau, qui limite le nombre de nappes à superposer pour réaliser une préforme, ainsi que la simplicité des préformes due au caractère quasi-isotrope du matériau et sa capacité à fluer.
Dans un exemple particulier de réalisation de l’invention, les coupons 32 ont une longueur comprise entre 20 et 100mm, et par exemple entre 40 et 60mm, et une largeur comprise entre 3 et 20mm, et par exemple entre 5 et 10mm. La ou chaque nappe 32, par exemple celle du rouleau 34 de la , a une épaisseur comprise entre 1 et 2mm par exemple.
Le procédé selon l’invention présente l’avantage de répondre aux deux problématiques évoquées ci-dessus. D’une part, l’aube 10 est réalisée en une seule fois sans assemblage, permettant une transmission des efforts entre la pale 12 et les plateformes 14, 16. D’autre part, le positionnement entre la pale 12 et les préformes 14, 16 est maîtrisé en raison de la fabrication de l’aube 10 dans un moule permettant le respect des tolérances géométriques.
Les efforts transitent donc sur les zones de rayon faisant l’interface entre ces différentes parties. Une continuité des préformes permet donc d’améliorer les propriétés et tenue mécanique.
En complément du choix de la continuité des nappes, un autre levier permet l’amélioration de la tenue mécanique. En découpant les nappes et en les orientant dans le sens préférentiel selon les chemins d’efforts, la tenue mécanique de l’aube 10 est améliorée.
L’invention permet donc une amélioration de la tenue mécanique de la pièce par l’optimisation du drapage.

Claims (9)

  1. Procédé de fabrication d’une aube (10) en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, cette aube comportant une pale aérodynamique (12) s’étendant entre deux plateformes (14, 16) situées respectivement dans deux plans (P1, P2) sensiblement parallèles et perpendiculaires à un axe d’allongement (A) de la pale, caractérisé en ce que la pale et les plateformes sont obtenues par compression et chauffage d’une préforme, cette préforme étant réalisée par superposition de plusieurs nappes (22-28) de fibres imprégnées d’une résine thermodurcissable, au moins certaines de ces nappes (26, 28) s’étendant le long de l’axe d’allongement ainsi que dans le plan d’au moins une des plateformes en passant par des zones de liaison (Z1, Z2) entre la pale et les plateformes de façon à ce qu’il y ait une continuité des nappes dans ces zones.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel au moins certaines des nappes (26, 28) s’étendent depuis le plan (P1) d’une des plateformes (14) jusqu’au plan (P2) de l’autre des plateformes (16) en passant par des zones de liaison (Z1, Z2) entre la pale (12) et les plateformes et le long de l’axe d’allongement (A) de la pale.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la pale (12) comprend un intrados (12a) et un extrados (12b), au moins une des nappes (26), appelée nappe(s) latérale(s), s’étend depuis le plan (P1) d’une des plateformes (14) jusqu’au plan (P2) de l’autre des plateformes (16) en passant par des zones de liaison (Z1, Z2) entre l’intrados (12a) de la pale et les plateformes et le long de l’axe d’allongement (A) de la pale, et au moins une des nappes (28), appelée également nappe(s) latérale(s), s’étend depuis le plan d’une des plateformes jusqu’au plan de l’autre des plateformes en passant par des zones de liaison entre l’extrados (12b) de la pale et les plateformes et le long de l’axe d’allongement de la pale.
  4. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel au moins deux nappes latérales (26, 26’) s’étendent depuis le plan (P1) d’une des plateformes (14) jusqu’au plan (P2) de l’autre des plateformes (P2) en passant par des zones de liaison (Z1, Z2) entre l’intrados (12a) de la pale (12) et les plateformes (14, 16) et le long de l’axe d’allongement (A) de la pale, et au moins deux nappes latérales (28, 28’) s’étendent depuis le plan d’une des plateformes jusqu’au plan de l’autre des plateformes en passant par des zones de liaison entre l’extrados (12b) de la pale et les plateformes et le long de l’axe d’allongement de la pale.
  5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel au moins une nappe centrale (30) s’étend entre la ou les nappe(s) latérale(s) (26, 26’) disposée(s) du côté de l’intrados (12a) de la pale (12), d’une part, et la ou les nappe(s) latérale(s) (28, 28’) disposée(s) du côté de l’extrados (12b) de la pale, d’autre part.
  6. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel au moins une nappe plane (22, 24) s’étend sensiblement dans le plan (P1, P2) de chacune des plateformes (14, 16).
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel il comprend une étape préalable de préparation des nappes, chacune des nappes étant obtenue par découpe d’un tissu pour former des coupons (32) de formes et dimensions prédéterminées, par disposition aléatoire et dans un même plan de ces coupons, puis par compression des coupons ainsi disposées.
  8. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le tissu comprend des fibres allongées disposées parallèlement les unes aux autres, ces fibres étant imprégnées de résine thermodurcissable et solidarisées les unes aux autres par cette résine.
  9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la compression et le chauffage sont réalisées dans un outillage comportant un moule (18) et un contre-moule (20).
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