FR3120910A1 - Pièce de turbomachine composite formée d’une âme entourée par deux préformes fibreuses tissées 3D - Google Patents
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Abstract
Pièce de turbomachine composite formée d’une âme entourée par deux préformes fibreuses tissées 3D L’invention concerne une pièce (1) de turbomachine comprenant une âme centrale (2) qui comprend une première face et une deuxième face opposée à la première face, caractérisé en ce que l’âme centrale (2) est entourée d’une part par une première peau externe (3) en matériau composite avec un premier renfort fibreux (31) tissé selon un tissage tridimensionnel située sur la première face de l’âme centrale (2), et d’autre part par une deuxième peau externe (4) en matériau composite avec un deuxième renfort fibreux (41) tissé selon un tissage tridimensionnel située sur la deuxième face de l’âme centrale (2). Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention se rapporte au domaine général des pièces de turbomachine composites formées d’une âme centrale entourée d’une peau externe.
La présente invention trouve notamment son application dans le domaine des aubes de turbomachine, comme par exemple les aubes de redresseur.
Il est connu de fabriquer des pièces composites formées d’une âme centrale qui est entourée d’une peau externe, la peau apportant les caractéristiques mécaniques à la pièce et tandis que l’âme permet d’alléger la masse.
Une telle conception composite est avantageuse pour des pièces qui sont soumises à des sollicitations en flexion.
Il est également connu d’utiliser des préformes fibreuses tissées 3D, dans la fabrication de telles pièces composites.
Pour la fabrication d’une pièce comprenant des bords fins, il est connu de fabriquer une préforme fibreuse tissée 3D formant une gaine à l’intérieur de laquelle l’âme est enfilée. Cependant, une telle solution peut provoquer l’apparition de défauts tels que des pincements ou des torons accrochés en enfilant l’âme centrale dans la gaine formée par la préforme fibreuse. En outre, le fait que la préforme fibreuse tissée 3D soit une gaine impose des contraintes de tissage, comme par exemple le nombre de couches totales est identique sur toute la hauteur de la gaine, limitant ainsi les choix de conception pour la pièce.
La présente invention a donc pour but principal de fournir une solution répondant aux problèmes décrits précédemment.
Selon un premier aspect, l’invention concerne une pièce de turbomachine comprenant une âme centrale qui comprend une première face et une deuxième face opposée à la première face, caractérisé en ce que l’âme centrale est entourée d’une part par une première peau externe en matériau composite comprenant un premier renfort fibreux tissé selon un tissage tridimensionnel située sur la première face de l’âme centrale, et d’autre part par une deuxième peau externe en matériau composite comprenant un deuxième renfort fibreux tissé selon un tissage tridimensionnel située sur la deuxième face de l’âme centrale.
Une telle pièce permet d’adapter localement le renfort fibreux aux contraintes locales de la pièce. En outre, une telle pièce permet de fabriquer des bords fins.
Selon une caractéristique possible, le premier renfort fibreux et le deuxième renfort fibreux présentent un motif de tissage différent.
Selon une caractéristique possible, le premier renfort fibreux et le deuxième renfort fibreux présentent une taille de torons différente.
Selon une caractéristique possible, le premier renfort fibreux et le deuxième renfort fibreux possèdent un nombre de couches différent.
Selon une caractéristique possible, au moins un parmi le premier renfort fibreux et le deuxième renfort fibreux comprend une première portion avec une première taille de torons, et une deuxième portion avec une deuxième taille de torons.
Selon une caractéristique possible, la pièce comprend une plateforme formée par au moins une zone déliée formée sur le premier renfort fibreux ou le deuxième renfort fibreux, ladite zone déliée étant recourbée de sorte à faire saillie de ladite pièce.
Selon une caractéristique possible, un pli de renfort est situé sur au moins une parmi la première peau externe et la deuxième peau externe, le pli de renfort étant un pli tissé par tissage bidimensionnel, ou un pli tissé par tissage tridimensionnel, ou une nappe de fibres unidirectionnelles.
Selon une caractéristique possible, la pièce est une pièce profilée qui comprend un extrados, un intrados, un bord d’attaque et un bord de fuite, la première peau externe étant disposée sur l’intrados, et la deuxième peau externe étant disposée sur l’extrados.
Selon une caractéristique possible, la première peau externe et la deuxième peau externe se joignent au bord d’attaque et au bord de fuite.
Selon une caractéristique possible, au moins un parmi la première peau externe et la deuxième peau externe comprend une épaisseur qui diminue au niveau du bord d’attaque, et au moins un parmi la première peau externe et la deuxième peau externe comprend une épaisseur qui diminue au niveau du bord de fuite.
Selon une caractéristique possible, le premier renfort fibreux comprend au moins un parmi :
- un motif de tissage différent que le motif de tissage du deuxième renfort fibreux ;
- des torons plus grand que les torons du deuxième renfort fibreux ;
- un nombre de couche plus important que le nombre de couche du deuxième renfort fibreux ;
- un ratio chaine/trame plus faible que le ratio chaine/trame du deuxième renfort fibreux.
- un motif de tissage différent que le motif de tissage du deuxième renfort fibreux ;
- des torons plus grand que les torons du deuxième renfort fibreux ;
- un nombre de couche plus important que le nombre de couche du deuxième renfort fibreux ;
- un ratio chaine/trame plus faible que le ratio chaine/trame du deuxième renfort fibreux.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce selon l’une quelconque des caractéristiques possibles comprenant les étapes suivantes :
- fabrication du premier renfort fibreux et du deuxième renfort fibreux par tissage tridimensionnel ;
- placement du premier renfort fibreux et du deuxième renfort fibreux autour de l’âme centrale de sorte à entourer ladite âme centrale, le premier renfort fibreux étant disposé contre la première face de l’âme centrale et le deuxième renfort fibreux étant disposé contre la deuxième face de l’âme centrale ;
- densification du premier renfort fibreux et du deuxième renfort fibreux afin de former la première peau externe et la deuxième peau externe.
- fabrication du premier renfort fibreux et du deuxième renfort fibreux par tissage tridimensionnel ;
- placement du premier renfort fibreux et du deuxième renfort fibreux autour de l’âme centrale de sorte à entourer ladite âme centrale, le premier renfort fibreux étant disposé contre la première face de l’âme centrale et le deuxième renfort fibreux étant disposé contre la deuxième face de l’âme centrale ;
- densification du premier renfort fibreux et du deuxième renfort fibreux afin de former la première peau externe et la deuxième peau externe.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif.
Comme cela est illustré sur la , une pièce 1 de turbomachine comprend une âme centrale 2 qui est entourée par une première peau externe 3 comprenant un premier renfort fibreux 31 densifié par une matrice et une deuxième peau externe 4 comprenant un deuxième renfort fibreux 41 densifié par une matrice. La première peau externe 3 et la deuxième peau externe 4 sont disposées de part et d’autre de l’âme centrale, ainsi la première peau externe 3 est située sur une première face de l’âme centrale 2 et la deuxième peau externe 4 est située sur une deuxième face de l’âme centrale 2 qui est opposée à la première face de l’âme centrale 2.
Comme cela est illustré sur la , la pièce 1 de turbomachine peut être une pièce présentant une section profilée avec un intrados 11, un extrados 12, un bord d’attaque 13 et un bord de fuite 14. En effet, l’invention est particulièrement adaptée pour les contraintes rencontrées par les aubes. La pièce peut notamment être une aube de rotor ou une aube de stator, telle que par exemple une aube de redresseur (également connu sous l’acronyme anglais OGV pour « Outlet Guide Vane »). En effet, la structure composite de l’invention est particulièrement bien adaptée pour les aubes de redresseur.
La première peau externe 3 et la deuxième peau externe 4 sont en un matériau composite comprenant chacune un renfort fibreux tissé selon un tissage tridimensionnel densifié par une matrice, par exemple une résine chargée ou non. Plus précisément, la première peau externe 3 est formée par un premier renfort fibreux 31 densifié par une matrice, et la deuxième peau externe 4 est formée par un deuxième renfort fibreux 41 densifié par une matrice.
Par « tissage tridimensionnel » ou « tissage 3D », on entend ici un tissage pour lequel des fils de chaine traversent plusieurs couches de fils de trame, ou des fils de trame traversent plusieurs couches de fils de chaine.
Une telle pièce 1 composite permet d’avoir une masse allégée grâce à l’utilisation d’une âme en matériau léger, comme par exemple une mousse ou une structure alvéolaire en nid d’abeilles, tout en apportant à la pièce 1 les propriétés mécaniques permettant de résister aux contraintes d’utilisation de la pièce 1 grâce aux peaux externes 3 et 4 à renforts fibreux tissés 3D.
En outre, le fait que la première peau externe 3 et la deuxième peau externe 4 soient distinctes permet d’adapter les caractéristiques des deux peaux externes 3 et 4 aux contraintes rencontrées par chacune des faces de la pièce 1.
Ainsi, le premier renfort fibreux 31 et le deuxième renfort fibreux 41 peuvent présenter un motif de tissage différent, permettant ainsi d’adapter le motif de tissage aux contraintes locales rencontrées par la face de la pièce 1.
Le premier renfort fibreux 31 et le deuxième renfort fibreux 41 peuvent également présenter des torons avec des tailles différentes, permettant ainsi d’augmenter localement la résistance de la pièce 1 tout en limitant l’augmentation de la masse de la pièce 1. Par taille de toron il est fait ici référence à l’épaisseur des torons qui composent les fils des préformes fibreuses 31, 41.
Le premier renfort fibreux 31 et le deuxième renfort fibreux 41 peuvent également présenter un ratio chaîne/trame différent, permettant ainsi d’adapter localement les caractéristiques mécaniques de la pièce 1. Par ratio chaîne/trame il est fait ici référence au ratio entre le nombre de fils chaîne et le nombre de fils de trame pour chaque renfort fibreux 31, 41.
Le premier renfort fibreux 31 et le deuxième renfort fibreux 41 peuvent également présenter un nombre de couches différent, permettant là aussi d’augmenter localement la résistance de la pièce 1 tout en limitant l’augmentation de la masse de la pièce 1. Par nombre de couches, il est fait ici référence au nombre de couches de fils de trame ou de fils de chaîne.
Par ailleurs, le premier renfort fibreux 31 et/ou le deuxième renfort fibreux 41 peuvent comprendre une première portion avec une première taille de torons, et une deuxième portion avec une deuxième taille de torons différente de la première taille de torons. Les deux portions sont tissées 3D. Un nombre plus important de portions est également possible. Il est également possible d’utiliser des renforts fibreux en une portion.
Les figures 3A à 3C illustrent la formation d’une préforme pour la réalisation de la pièce 1. Plus précisément, les figures 3A et 3C représentent respectivement des exemples de réalisation du premier renfort fibreux 31 et du deuxième renfort fibreux 41 avant leur mise en forme et leur imprégnation avec une résine. La figure 3B représente l’assemblage des premier et deuxième renforts fibreux 31 et 41 sur l’âme centrale 2 et leur mise en forme de manière à former une préforme 100 de la pièce 1.
Dans l’exemple de réalisation illustré sur les figures 3A à 3C, le premier renfort fibreux 31 comprend une première portion 31a avec une première taille de torons, et une deuxième portion 31b avec une deuxième taille de torons, la première taille de torons étant supérieure à la deuxième taille de torons. En outre, le deuxième renfort fibreux 41 comprend également une première portion 41a et une deuxième portion 41b, mais toutefois la première portion 41a et la deuxième portion 41b présentent des torons de taille identique. Le fait d’utiliser des préformes fibreuses en deux portions permet notamment de former des plateformes sur la pièce 1, comme cela sera précisé plus tard.
Comme visible sur la , la pièce 1 peut comprendre une ou des plateformes 5 formées sur la première peau externe 3, et/ou sur la deuxième peau externe 4. La ou les plateformes 5 peuvent par exemple servir à la fixation de la pièce 1 dans la turbomachine, ou servir à la délimitation de la veine d’air dans la turbomachine.
Comme cela est illustré sur les figures 3A à 3C, les plateformes 5 peuvent être formées par des zones déliées 51 des renforts fibreux 31 et 41, ces zones déliées 51 étant obtenues par une zone de déliaison 52 entre la première portion et la deuxième portion qui forment le renfort fibreux. Par ailleurs, lorsque des zones déliées 51 sont formées sur un renfort fibreux, le renfort fibreux comprend également une zone de chute 53 formée uniquement fils de chaîne et qui est ensuite coupée afin de libérer la ou les zones déliées 51 initialement reliée à ladite zone de chute 53. Une fois la ou les zones déliées 51 libérées, la ou les zones déliées 51 sont pliées vers l’extérieur de la pièce 1 afin de former les plateformes 5 une fois le renfort fibreux imprégné par une résine précurseur de matrice (figures 1 et 2). La mise en forme des zones déliées 51 peut notamment être réalisée avec le moule de densification des renforts fibreux 31, 41.
En outre, comme cela est illustré sur la figure 3B, un pli de renfort 6 peut être déposé sur la première peau externe 3 ou sur la deuxième peau externe 4, ou bien à la fois sur le premier renfort fibreux 31 et/ou sur le deuxième renfort fibreux 41 (non représenté sur la figure 3B). Le pli de renfort 6 permet d’améliorer localement les caractéristiques mécaniques de la pièce 1. Le pli de renfort 6 peut également permettre d’augmenter la résistance à l’érosion de la pièce 1. Selon une première variante possible, le pli de renfort 6 est formé par un pli tissé par tissage tridimensionnel.
Selon une deuxième variante possible, le pli de renfort 6 est formé par un pli tissé par tissage bidimensionnel. Par « tissage bidimensionnel », on entend ici un mode de tissage classique par lequel chaque fil de trame passe d’un côté à l’autre de fils d’une seule couche de chaîne ou inversement.
Selon une troisième variante possible, le pli de renfort 6 est formé par des nappes de fibres unidirectionnelles (UD), qui peuvent être obtenues par placement automatique des fibres (AFP pour « Automated Fibre Placement » selon l’expression anglo-saxonne), ou par enroulement filamentaire. La direction des fibres est adaptée en fonction des caractéristiques mécaniques de la pièce 1 à renforcer.
Comme visible sur la , la première peau externe 3 est disposée sur l’intrados 11, et la deuxième peau externe 4 est disposée sur l’extrados 12. Selon une caractéristique avantageuse, la première peau externe 3 est plus renforcée que la deuxième peau externe 4. La première peau externe 3 et la deuxième peau externe 4 se joignent au niveau du bord d’attaque 13 et au niveau du bord de fuite 14, entourant ainsi complètement l’âme centrale 2.
Ainsi, le premier renfort fibreux 31 de la première peau externe 3 peut comprendre des torons plus grands que les torons du deuxième renfort fibreux 41 de la deuxième peau externe 4. Le premier renfort fibreux 31 de la première peau externe 3 peut également comprendre un nombre de couches plus important que le nombre de couches du deuxième renfort fibreux 41 de la deuxième peau externe 4 et être, par conséquent, plus épais.
Le premier renfort fibreux 31 de la première peau externe 3 présente un ratio chaine/trame plus faible que le ratio chaine/trame du deuxième renfort fibreux 41 de la deuxième peau externe 4.
En outre, afin de former les bords fins de l’aube que sont le bord d’attaque 13 et le bord de fuite 14, la première peau externe 3 ou/et la deuxième peau externe 4 ont une épaisseur qui diminue au niveau du bord d’attaque 13, ainsi que la première peau externe 3 et/ou la deuxième peau externe 4 ont une épaisseur qui diminue au niveau du bord de fuite 14. Sur la variante illustrée sur la , à la fois l’épaisseur de la première peau externe 3 et de la deuxième peau externe 4 diminue afin d’affiner le bord d’attaque 13 et le bord de fuite 14 de l’aube.
Comme cela est illustré sur la , la pièce 1 est fabriquée selon le procédé suivant :
- 100 : fabrication du premier renfort fibreux 31 et du deuxième renfort fibreux 41 par tissage tridimensionnel. Lors de cette étape 100 de fabrication des renforts fibreux 31, 41, les zones de déliaison 52 peuvent être réalisées si des plateformes 5 doivent être formées.
- 100 : fabrication du premier renfort fibreux 31 et du deuxième renfort fibreux 41 par tissage tridimensionnel. Lors de cette étape 100 de fabrication des renforts fibreux 31, 41, les zones de déliaison 52 peuvent être réalisées si des plateformes 5 doivent être formées.
- 200 : placement du premier renfort fibreux 31 et du deuxième renfort fibreux 41 autour de l’âme centrale 2 de sorte à entourer ladite âme centrale 2, le premier renfort fibreux 31 étant disposé et mis en forme contre la première face de l’âme centrale 2 et le deuxième renfort fibreux 41 étant disposé et mis en forme contre la deuxième face de l’âme centrale 2. Le premier renfort fibreux 31 et le deuxième renfort fibreux 41 peuvent par exemple être collés sur l’âme centrale 2.
- 300 : densification du premier renfort fibreux 31 et du deuxième renfort fibreux 41 afin de former la première peau externe 3 et la deuxième peau externe 4. Le premier renfort fibreux 31 et le deuxième renfort fibreux 41 sont densifiés en injectant un matériau précurseur de la matrice, par exemple une résine chargée ou non, dans les porosités des renforts fibreux, puis en polymérisant le matériau précurseur.
Claims (12)
- Pièce (1) de turbomachine comprenant une âme centrale (2) qui comprend une première face et une deuxième face opposée à la première face, caractérisé en ce que l’âme centrale (2) est entourée d’une part par une première peau externe (3) en matériau composite comprenant un premier renfort fibreux (31) tissé selon un tissage tridimensionnel située sur la première face de l’âme centrale (2), et d’autre part par une deuxième peau externe (4) en matériau composite comprenant un deuxième renfort fibreux (41) tissé selon un tissage tridimensionnel située sur la deuxième face de l’âme centrale (2).
- Pièce (1) selon la revendication 1, dans laquelle le premier renfort fibreux (31) et le deuxième renfort fibreux (41) présentent un motif de tissage différent.
- Pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, dans laquelle le premier renfort fibreux (31) et le deuxième renfort fibreux (41) présentent une taille de torons différente.
- Pièce (1) selon l’’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le premier renfort fibreux (31) et le deuxième renfort fibreux (41) possèdent un nombre de couches différent.
- Pièce (1) selon l’’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle au moins un parmi le premier renfort fibreux (31) et le deuxième renfort fibreux (41) comprend une première portion (31a, 41a) avec une première taille de torons, et une deuxième portion (31b, 41b) avec une deuxième taille de torons.
- Pièce (1) selon l’’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle ladite pièce (1) comprend une plateforme (5) formée par au moins une zone déliée (51) formée sur le premier renfort fibreux (31) ou le deuxième renfort fibreux (41), ladite zone déliée (51) étant recourbée de sorte à faire saillie de ladite pièce (1).
- Pièce (1) selon l’’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle un pli de renfort (6) est situé sur au moins une parmi la première peau externe (3) et la deuxième peau externe (4), le pli de renfort (6) étant un pli tissé par tissage bidimensionnel, ou un pli tissé par tissage tridimensionnel, ou une nappe de fibres unidirectionnelles.
- Pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle ladite pièce (1) est une pièce (1) profilée qui comprend un intrados (11), un extrados (12), un bord d’attaque (13) et un bord de fuite (14), la première peau externe (3) étant disposée sur l’intrados (11), et la deuxième peau externe (4) étant disposée sur l’extrados (12).
- Pièce (1) selon la revendication 8, dans laquelle la première peau externe (3) et la deuxième peau externe (4) se joignent au bord d’attaque (13) et au bord de fuite (14).
- Pièce (1) selon la revendication 9, dans laquelle au moins un parmi la première peau externe (3) et la deuxième peau externe (4) comprend une épaisseur qui diminue au niveau du bord d’attaque (13), et au moins un parmi la première peau externe (3) et la deuxième peau externe (4) comprend une épaisseur qui diminue au niveau du bord de fuite (14).
- Pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, dans laquelle le premier renfort fibreux (31) comprend au moins un parmi :
- un motif de tissage différent que le motif de tissage du deuxième renfort fibreux (41)
- des torons plus grand que les torons du deuxième renfort fibreux (41),
- un nombre de couche plus important que le nombre de couche du deuxième renfort fibreux (41),
- un ratio chaine/trame plus faible que le ratio chaine/trame du deuxième renfort fibreux (41). - Procédé de fabrication d’une pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 comprenant les étapes suivantes :
- (100) : fabrication du premier renfort fibreux (31) et du deuxième renfort fibreux (41) par tissage tridimensionnel ;
- (200) : placement du premier renfort fibreux (31) et du deuxième renfort fibreux (41) autour de l’âme centrale (2) de sorte à entourer ladite âme centrale (2), le premier renfort fibreux (31) étant disposé contre la première face de l’âme centrale (2) et le deuxième renfort fibreux (41) étant disposé contre la deuxième face de l’âme centrale (2) ;
- (300) : densification du premier renfort fibreux (31) et du deuxième renfort fibreux (41) afin de former la première peau externe (3) et la deuxième peau externe (4).
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