FR3120901A1 - Ensemble pour une turbomachine - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un ensemble (15) pour une turbomachine, comportant une pièce métallique (16) et une servitude (24) montée sur la pièce métallique (16), caractérisé en ce qu’il comporte une pièce composite (28) fixée sur la pièce métallique (16), au moins une partie de la servitude (24) étant maintenue en position par la pièce composite (28) sur la pièce métallique (16). Figure à publier avec l’abrégé : [Fig. 2]
Description
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne un ensemble pour une turbomachine, en particulier un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion.
Etat de la technique antérieure
La turbomachine comporte classiquement un stator comprenant des carters sur lesquels sont montés des servitudes, telles que des canalisations de circuit de fluide ou des harnais électriques, par exemple. Du fait de la forme complexe des carters devant accueillir de telles servitudes, ceux-ci sont généralement réalisés par usinage complexes d’un brut de fonderie ou d’un bloc de matière. De tels procédés sont longs et couteux à mettre en œuvre et nécessitent de respecter des tolérances dimensionnelles précises. Par ailleurs, une telle pièce peut présenter une masse importante, ce qui pénalise les performances de la turbomachine. Enfin, en cas d’apparition d’un défaut dans une partie du carter, il est souvent nécessaire de remplacer l’intégralité du carter ou de l’élément concerné du carter.
Présentation de l’invention
L’invention vise à répondre à remédier aux inconvénients précités, de façon simple, fiable et peu onéreuse.
A cet effet, l’invention propose un ensemble pour une turbomachine, comportant une pièce métallique et une servitude montée sur la pièce métallique, caractérisé en ce qu’il comporte une pièce composite fixée sur la pièce métallique, au moins une partie de la servitude étant maintenue en position par la pièce composite sur la pièce métallique.
De cette manière, la pièce métallique peut assurer la fonction structurelle tandis que la pièce composite peut assurer notamment la fonction de maintien de la servitude. La pièce métallique peut alors être une pièce de structure simple, dont la fabrication peut être réalisée de façon moins complexe que dans le cas de l’art antérieur. La pièce métallique peut par exemple être réalisée par usinage conventionnel, en particulier par tournage dans le cadre d’une pièce de révolution. En variante, la pièce peut être réalisée par fonderie et peut nécessiter aucune ou peu d’opérations d’usinage, sur des zones dont les surfaces à usiner sont limitées.
L’utilisation d’une pièce composite permet par ailleurs de réduire le poids de l’ensemble. Enfin, dans le cas d’un défaut apparaissant au niveau de l’une des pièces, seule cette dernière est à remplacer, ce qui permet de réduire les coûts de maintenance.
La pièce composite peut être en matériau composite à matrice organique, également désigné par l’acronyme C.M.O.
Un matériau composite comporte au moins deux composants non miscibles, dont les propriétés sont complémentaires, à savoir un renfort et une matrice. Le renfort forme une armature destinée à reprendre l’ensemble des efforts mécaniques. La matrice a pour objectif de transmettre les efforts mécaniques au renfort et assurer sa cohésion, tout en le protégeant des conditions extérieures. La matrice permet également de donner la forme souhaitée à la pièce composite.
Le renfort peut comporter des fibres de métal, de verre, de carbone ou de polymère. Les fibres peuvent être courtes (i.e. de longueur comprise entre 0,1 et 1 mm), longues (i.e. de longueur comprise entre 1 et 50 mm) ou dites continues (i.e. de longueur supérieure à 50 mm). Les fibres peuvent être agencées sous la forme d’un mat, c’est-à-dire une nappe de fibres non tissées, ou sous la forme d’un tissu, c’est-à-dire sous la forme d’une structure formée de fibres tissées. Les fibres peuvent être tissées en deux dimensions, dans un plan, ou en trois dimensions, de manière à former une préforme.
Un matériau composite à matrice organique comporte une matrice thermodurcissable ou thermoplastique.
Dans le cas d’une matrice thermodurcissable, la matrice peut être :
- une résine polyester insaturé (UP),
- une résine époxyde (EP),
- une résine vinylester,
- une résine phénoliques (PF), ou
- une résine polyimide thermodurcissables (PIRP) ou polybismaléimide (BMI).
La pièce composite peut être fixée de façon étanche à la pièce métallique. Une telle fixation peut être assurée par collage ou par adhésion lors du procédé de fabrication de l’ensemble, la matrice venant adhérer à la pièce métallique. La fixation peut également être mécanique et être assurée par tous moyens connus, tels que des vis, des rivets, des brides.
La fonction d’étanchéité est particulièrement utile lorsque la pièce métallique est par exemple dans un environnement lubrifié, notamment lorsque la pièce métallique assure la fonction de support de palier. Dans un tel cas, la pièce composite permet de maintenir l’huile dans le volume interne de l’ensemble, l’huile pouvant être recyclée par tout moyen approprié.
La servitude peut traverser au moins une zone de la pièce métallique, la matrice de la pièce composite assurant l’étanchéité entre la servitude et ladite zone de la pièce métallique.
En particulier, la pièce métallique peut comporter une ouverture traversée par une partie de la servitude. Dans ce cas, la section de l’ouverture peut être supérieure à la section de la servitude, de sorte que ladite servitude peut être montée avec jeu dans l’ouverture. Ceci permet de réduire les exigences relatives aux tolérances dimensionnelles de fabrication de la pièce métallique.
Le rôle d’étanchéité mentionné précédemment permet de compenser l’existence d’un jeu ou d’un interstice entre la pièce métallique et la servitude. La pièce composite peut recouvrir cet interstice pour éviter les fuites entre l’intérieur de la pièce composite et l’extérieur. Ce rôle était réalisé par la pièce support dans l’art antérieur. Le jeu est particulièrement présent au niveau de l’ouverture mentionnée ci-dessus, cette ouverture présentant une section plus importante que la servitude, générant un jeu ou un interstice entre l’extrémité correspondante de la servitude et la pièce métallique. Egalement, la servitude peut présenter un écart ou un jeu variable avec la pièce métallique et être peu ajustée à cette pièce métallique. La pièce composite, qui est souple lors de sa mise en œuvre, vient alors maintenir en position cet assemblage à jeux importants. On a ainsi des servitudes plus facile à fabriquer car celles-ci peuvent présenter des formes de fabrication moins complexes, les seules cotes à faibles tolérances étant le point d’origine et de destination de la servitude.
La servitude peut être une canalisation d’écoulement de fluide, un harnais électrique ou une gaine mécanique, par exemple destinée à l’actionnement d’une vanne de décharge.
La servitude peut être souple ou rigide.
La pièce métallique peut être une pièce annulaire s’étendant autour d’un axe, la pièce composite étant annulaire et entourant la pièce métallique.
La pièce composite peut comporter une zone en creux dans laquelle est logée et maintenue la servitude. La forme en creux permet de loger et maintenir avec une bonne précision la servitude. La forme en creux peut s’adapter aisément à la forme de la servitude.
La pièce métallique peut être un support de palier de turbomachine.
De façon générale, l’ensemble peut être situé dans une zone de la turbomachine dans laquelle la température est limitée. Ladite zone peut être une zone amont de la turbomachine, en particulier située en amont du compresseur haute pression, ou une zone de la veine secondaire d’un turboréacteur à double flux.
Les termes amont et aval sont définis par rapport au sens de circulation des gaz au sein de la turbomachine.
L’invention concerne également une turbomachine comportant un ensemble du type précité.
L’invention concerne également un procédé d’assemblage d’un ensemble du type précité, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes consistant à
- monter la servitude sur la pièce métallique,
- maintenir en position la servitude sur la pièce métallique, à l’aide d’une pièce composite.
La pièce composite peut être obtenue par drapage ou par moulage.
Le procédé de drapage consiste à découper des plis de matière première, appelée pré-imprégné, et les draper manuellement dans un moule ou sur la pièce métallique sur laquelle est montée la servitude, de façon à former les plis aux formes souhaitées.
Le pré-imprégné comporte un renfort noyé dans une matrice. L’ensemble est ensuite porté à une température déterminée de polymérisation, sous vide, en autoclave, à l’aide d’une vessie ou sous presse.
Brève description des figures
Description détaillée de l’invention
La illustre une turbomachine 1 s’étendant selon un axe X, de type turboréacteur à double flux. La turbomachine 1 comporte une veine primaire annulaire 2, comportant d’amont en aval dans le sens de circulation des gaz au sein de la turbomachine, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7. Une soufflante 8 est située en amont du compresseur basse pression. Une veine secondaire annulaire 9 entoure la veine primaire 2.
En fonctionnement, un flux d’air F traverse la soufflante 9 et se divise en un flux primaire F1 traversant la veine primaire 2 et un flux secondaire F2 traversant la veine secondaire 9.
La turbomachine 1 comporte en particulier un stator comprenant des carters, notamment un carter 10 formant support de paliers destinés à guider en rotation un ou plusieurs arbres de rotor, un carter d’entrée moteur 11, formant notamment un bec de séparation 12 du flux primaire F1 et du flux secondaire F2, un carter inter-compresseur 13 situé axialement entre le compresseur basse pression 3 et le compresseur haute pression 4, et un carter de soufflante 14 entourant la soufflante 2.
L’invention s’applique en particulier aux carters précités, ceux-ci étant soumis à des températures plus basses que d’autres parties de la turbomachine 1. En particulier, l’invention est notamment applicable aux carters de la turbomachine 1 qui sont soumis à des températures peu élevées.
Les figures 2 et 3 illustrent un ensemble 15 selon l’invention formant un carter de type support de palier 10.
Cet ensemble 15 comporte une pièce métallique 16 structurelle comportant une paroi tronconique 17 d’axe X, s’évasant vers l’aval, ladite paroi 17 comprenant un rebord annulaire amont 18 et un rebord annulaire aval 19. Les rebords 18, 19 s’étendent radialement vers l’extérieur depuis la paroi tronconique 17.
La pièce métallique 16 comporte des fenêtres 20 ou des évidements destinés à alléger la pièce métallique 16 ou destinés au passage de fluide, par exemple de l’huile.
La pièce métallique 16 comporte en outre une portée cylindrique amont 21 radialement interne et une portée cylindrique aval 22 radialement interne destinée au montage de bagues externes de paliers à roulement 23 ( ) de la turbomachine 1.
La pièce métallique 16 peut par exemple être réalisée par usinage conventionnel, en particulier par tournage. En variante, la pièce 16 peut être réalisée par fonderie et peut nécessiter aucune ou peu d’opérations d’usinage, sur des zones dont les surfaces à usiner sont limitées.
Au moins une servitude 24 se présentant ici sous la forme d’une canalisation 24 de fluide est monté sur la pièce métallique 16, ladite canalisation 24 comportant une extrémité amont 25 traversant une ouverture (non visible) de la paroi tronconique 16 et une extrémité aval 26 traversant une ouverture 27 du rebord aval 19. Les ouvertures précitées ont des sections plus importantes que la canalisation 24 de sorte que la canalisation 24 traverse avec jeu lesdites ouvertures.
Une pièce composite 28 est fixée sur la pièce métallique 16, au moins une partie de la canalisation 24 étant maintenue en position par la pièce composite 28 sur la pièce métallique 16.
La pièce composite 28 peut être en matériau composite à matrice organique, également désigné par l’acronyme C.M.O.
La pièce composite 28 comporte un renfort noyé dans une matrice.
Le renfort peut comporter des fibres de métal, de verre, de carbone ou de polymère. Les fibres peuvent être courtes (i.e. de longueur comprise entre 0,1 et 1 mm), longues (i.e. de longueur comprise entre 1 et 50 mm) ou dites continues (i.e. de longueur supérieure à 50 mm). Les fibres peuvent être agencées sous la forme d’un mat, c’est-à-dire une nappe de fibres non tissées, ou sous la forme d’un tissu, c’est-à-dire sous la forme d’une structure formée de fibres tissées. Les fibres peuvent être tissées en deux dimensions, dans un plan, ou en trois dimensions, de manière à former une préforme.
Un matériau composite à matrice organique comporte une matrice thermodurcissable ou thermoplastique.
Dans le cas d’une matrice thermodurcissable, la matrice peut être :
- une résine polyester insaturé (UP),
- une résine époxyde (EP),
- une résine vinylester,
- une résine phénoliques (PF), ou
- une résine polyimide thermodurcissables (PIRP) ou polybismaléimide (BMI).
La pièce composite 28 est fixée de façon étanche à la pièce métallique 16. Une telle fixation peut être assurée par collage ou par adhésion lors du procédé de fabrication de l’ensemble, la matrice venant adhérer à la pièce métallique 16. En particulier, la pièce composite 28 est de forme annulaire et comporte une extrémité amont 29 fixée de manière étanche sur le rebord amont 18 et une extrémité aval 30 fixée de manière étanche sur le rebord aval 19.
La fixation étanche permet notamment de maintenir l’huile dans le volume interne de l’ensemble 15, l’huile pouvant être recyclée par tout moyen approprié.
La pièce composite 28 comporte une zone en creux 31 dans laquelle est logée et maintenue la canalisation 24. La forme en creux 31 permet de loger et maintenir avec une bonne précision la canalisation 24 tout en s’adaptant aisément à la forme de la canalisation 24.
La pièce composite 28 peut être obtenue par drapage ou par moulage sur la pièce métallique 16 et la canalisation 24.
Claims (8)
- Ensemble (15) pour une turbomachine (1), comportant une pièce métallique (16) et une servitude (24) montée sur la pièce métallique (16), caractérisé en ce qu’il comporte une pièce composite (28) fixée sur la pièce métallique (16), au moins une partie de la servitude (24) étant maintenue en position par la pièce composite (28) sur la pièce métallique (16).
- Ensemble (15) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la pièce composite (28) est en matériau composite à matrice organique.
- Ensemble (15) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce composite (28) est fixée de façon étanche à la pièce métallique (16).
- Ensemble (15) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la servitude (24) traverse au moins une zone (16, 19) de la pièce métallique (16), la matrice de la pièce composite (28) assurant l’étanchéité entre la servitude (24) et ladite zone de la pièce métallique (16).
- Ensemble (15) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la servitude (24) est une canalisation d’écoulement de fluide, un harnais électrique ou une gaine mécanique.
- Ensemble (15) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce métallique (16) est une pièce annulaire s’étendant autour d’un axe (X), la pièce composite (28) étant annulaire et entourant la pièce métallique (16).
- Ensemble (15) selon l’une des revendication précédentes, caractérisé en ce que la pièce composite (28) comporte une zone en creux (31) dans laquelle est logée et maintenue la servitude (24).
- Ensemble (15) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce métallique (16) est un support de palier (10) de turbomachine (1).
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Effective date: 20220923 |
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