FR3121475A1 - Aube de stator pour une turbomachine comportant un bouclier metallique - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une aube de stator (1) pour une turbomachine (10) d’aéronef, l’aube comportant une pale (2) s’étendant suivant un axe longitudinal, la pale (2) comprenant un intrados (22) et un extrados (24) reliés entre eux par un bord d’attaque (26) et un bord de fuite (28) de la pale (2), l’aube (1) comportant en outre un bouclier métallique (6) s’étendant le long du bord d’attaque (26), le bouclier (6) comprenant deux ailettes latérales (62, 64) et un nez (66) reliant les deux ailettes (62, 64) entre elles, le nez (66) présente une épaisseur (E1) supérieure à des épaisseurs (E2, E3) respectives des ailettes latérales (62, 64), lesdites épaisseurs (E1, E2, E3) étant mesurées suivant une section transversale à l’axe de l’aube ; et en ce que les ailettes (62, 64) sont asymétriques entre elles par rapport à un plan médian passant par le nez et l’axe de l’aube. Figure pour l'abrégé : figure 3
Description
Domaine technique de l’invention
L’invention se rapporte au domaine des turbomachines, notamment d’aéronef, et vise en particulier les aubes de stator en matériau composite et comportant un bouclier métallique.
Arrière-plan technique
Il est connu des turbomachines, en particulier des turbomachines à double flux, comportant une soufflante disposée en amont d’un générateur de gaz selon la circulation des gaz dans la turbomachine. Le générateur de gaz est logé dans un carter annulaire interne tandis que la soufflante est logée dans un carter annulaire extérieur solidaire généralement d’une nacelle. La soufflante génère un flux primaire ou flux chaud circulant dans une veine primaire traversant le générateur de gaz et un flux secondaire ou flux froid circulant dans une veine secondaire autour du générateur de gaz. Ces veines primaire et secondaire sont séparées par un carter inter-veine annulaire pourvu d’un bec de séparation. La soufflante comprend des aubes de soufflante avec chacune une extrémité libre en regard du carter extérieur de manière à comprimer un flux d’air incident au moins dans la veine secondaire et, de préférence, également dans la veine primaire.
De manière classique, la veine secondaire comporte, en aval de la soufflante, un étage d’aubes de stator, connues également sous le terme d’aubes de redresseur ou d’aubes de guidage de sortie pour la désignation anglaise de «Outlet Guide Vanes» (siglée OGV). Ces aubes de stator sont régulièrement réparties autour de l’axe de rotation de la soufflante et disposées radialement depuis l’axe de rotation de la soufflante, en aval des aubes de soufflante. Une aube OGV a pour fonction de redresser le flux à la sortie d’une aube de soufflante dans le flux secondaire de la turbomachine.
Les aubes OGV forment des rangées d'aubes fixes qui permettent de guider le flux traversant la turbomachine, selon une vitesse et un angle appropriés.
Les aubes OGV peuvent être métalliques, ou bien en matériau composite, notamment pour en diminuer la masse.
Actuellement, les aubes OGV composites sont réalisées par injection de résine époxy, par exemple par moulage par injection de résine liquide (RTM, acronyme de l’expression anglaise «Resin Transfert Molding»), dans une préforme en fibres de carbone tissée en trois dimensions (3D).
La figure 1 représente une aube OGV 1 d’une turbomachine 10 qui s’étend suivant un axe d’allongement A. L’aube 1 comporte une pale 2 ayant une face intrados 22 et une face extrados 24 s'étendant entre un bord d'attaque 26 et un bord de fuite 28. Des extrémités radialement interne et externe de l’aube 1 comprennent des éléments 20 de fixation au générateur de gaz, d’une part, et au carter extérieur, d’autre part. Sur l’exemple, une plateforme inter-aubes 3 est intercalée entre l’extrémité radialement externe de l’aube 1 correspondante et les aubes adjacentes, et une plateforme 4 est rapportée entre l’extrémité radialement interne de l’aube 1 et un moyeu 40 de la turbomachine 10. La fixation de la pale 2 avec les plateformes 3, 4 peut se faire par des liaisons boulonnées.
Un bouclier 5, sous la forme d’un clinquant métallique, protège le bord d’attaque 26 de la pale 2. Le bouclier 5 est généralement collé sur le bord d’attaque 26 de la pale 2. Le bouclier 5 s’étend en hauteur (par rapport à l’axe A qui est un axe radial par rapport à l’axe longitudinal de la turbomachine) sur toute la hauteur du bord d’attaque 26 et de la pale 2, et sur une portion en longueur (par rapport à un axe parallèle à l’axe longitudinal de la turbomachine) des faces intrados 22 et extrados 24 de la pale 2.
En référence à la figure 2, le bouclier 5 comprend de manière générale une fine ailette intrados 52 et une fine ailette extrados 54 qui sont jointes entre elles par une portion intermédiaire, appelée un nez 56, au niveau du bord d’attaque 26 de la pale 2. Les ailettes intrados 52 et extrados 54 sont de même longueur L.
Les matériaux composites présentant une sensibilité à certaines contraintes mécaniques, le renfort de protection permet avantageusement d’améliorer sa tenue mécanique.
Toutefois, le bouclier peut s’endommager et/ou se décoller du bord d’attaque de la pale, notamment suite à des impacts de grêle, de gravillons ou à des ingestions d’oiseaux dans la turbomachine.
En effet, un fléchissement du bouclier après un impact peut engendrer des contraintes de cisaillement avec des endommagements sur les surfaces extrados et/ou intrados du bord d’attaque de la pale. Ceci peut entrainer la propagation d’ondes de déformation à travers le bouclier jusqu’à les dissiper par un décollement partiel de l’ailette du bouclier.
Ainsi, un décollement d’au moins une partie du bouclier peut conduire à une dégradation des performances aéronautiques de l’aube de stator, due à une modification locale de l’enveloppe aéronautique de l’aube de stator.
Il existe donc un besoin d’une aube de stator en matériau composite pour une turbomachine, dans laquelle la tenue mécanique du bouclier métallique de cette aube peut être renforcée, tout en n’endommageant pas la structure d’une telle aube.
L’invention a pour objectif de proposer une solution permettant de remédier à au moins certains des inconvénients précités.
A cet effet, l’invention concerne une aube de stator pour une turbomachine d’aéronef, l’aube étant en matériau composite et comportant une pale s’étendant suivant un axe longitudinal A et des éléments de fixation à chacune de ses extrémités longitudinales, la pale comprenant un intrados et un extrados reliés entre eux par un bord d’attaque et un bord de fuite de la pale, l’aube comportant en outre un bouclier métallique s’étendant le long du bord d’attaque, le bouclier comprenant deux ailettes latérales s’étendant, respectivement, sur l’intrados et l’extrados de la pale, et un nez reliant les deux ailettes entre elles.
Selon l’invention, le nez présente une épaisseur supérieure à des épaisseurs respectives des ailettes latérales, lesdites épaisseurs étant mesurées suivant une section transversale à l’axe A. Par ailleurs, les ailettes sont asymétriques entre elles par rapport à un plan médian passant par le nez et l’axe A.
Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. De manière générale, la configuration de l’aube de stator de l’invention permet d’empêcher le décollement local du bouclier de la pale d’aube, tout en protégeant la pale en matériau composite en cas d’impact d’éléments extérieurs. En effet, l’épaisseur évolutive entre le nez et les ailettes du bouclier et l’asymétrie des ailettes permettent de limiter voire supprimer les pertes de liaison entre l’ailette et la pale, notamment en diminuant les contraintes de cisaillement appliquées sur les ailettes. De cette façon, les ailettes du bouclier et par conséquent les surfaces intrados/extrados de la pale d’aube ne sont plus sujettes à une déformation locale et/ou à une dégradation. La rigidité de l’aube est donc renforcée vis-à-vis des chocs ou impacts. Ainsi, de manière générale, les performances aérodynamiques d’une aube de stator (par exemple de type OGV) sont optimisées.
L’invention présente par conséquent l’avantage de reposer sur une conception simple, offrant une très grande fiabilité, et peu pénalisante en termes de coûts et d’encombrement.
L’aube selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- l’épaisseur du bouclier décroit régulièrement entre le nez et les ailettes latérales ;
- l’épaisseur du nez est 2 à 10 fois supérieure à l’une au moins des épaisseurs des ailettes ;
- l’une des ailettes présente une longueur différente par rapport à la longueur de l’autre des ailettes ;
- la différence de longueur entre les deux ailettes est comprise entre 5 et 50 mm, de préférence entre 10 et 25 mm ;
- au moins une des ailettes comprend au moins une extrémité longitudinale le long de l’axe A, qui est munie d’une échancrure ;
- ladite échancrure définit un bord périphérique droit ou arrondi.
- le bord périphérique droit est incliné d’un angle α compris entre 10 et 50° par rapport un bord longitudinal de l’ailette, cet angle étant mesuré dans un plan dans lequel s’étend cette ailette ;
- le bouclier est réalisé en alliage métallique à base de Nickel et de Cobalt, ou à base de titane, ou en acier.
L’invention concerne également une turbomachine, en particulier d’aéronef, comprenant au moins une aube de stator selon l’une des particularités de l’invention.
Une telle turbomachine peut être un turbopropulseur, un turboréacteur ou un turbomoteur.
Brève description des figures
La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures.
Description détaillée de l’invention
Par convention, dans la description ci-après, les termes « longitudinal » et « axial » qualifient l'orientation d'éléments structurels s'étendant selon la direction d’un axe longitudinal. Les termes « radial » ou « vertical » qualifient une orientation d'éléments structurels s'étendant selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal. Les termes « intérieur » et « extérieur », et « interne » et « externe » sont utilisés en référence à un positionnement par rapport à l’axe longitudinal. Ainsi, un élément structurel s'étendant selon l'axe longitudinal comporte une face intérieure tournée vers l'axe longitudinal et une surface extérieure, opposée à sa surface intérieure.
Les figures 1 et 2 ont été décrites dans ce qui précède.
L’invention s’applique à une turbomachine 10, en particulier d’aéronef, comportant un générateur de gaz ou moteur. Une telle turbomachine peut être un turbopropulseur, un turboréacteur ou un turbomoteur.
Le générateur de gaz de la turbomachine comprend typiquement un ou plusieurs compresseurs, par exemple basse pression et haute pression, disposé(s) en amont d’une chambre de combustion. Le(s) compresseur(s) délivre(nt) de l'air sous pression à la chambre de combustion où l'air est mélangé à du carburant et allumé, afin de générer des gaz de combustion chauds. Ces gaz s'écoulent vers l'aval de la chambre vers une ou plusieurs turbine(s) qui transforme(nt) l'énergie ainsi reçue afin d'entraîner en rotation le ou les compresseur(s) et ainsi fournir le travail nécessaire, par exemple, à la motorisation d'un avion.
Tel que décrit dans ce qui précède, une veine secondaire de la turbomachine comporte, en aval de la soufflante, un étage d’aubes de stator régulièrement réparties autour de l’axe de rotation de la soufflante et disposées radialement depuis l’axe de rotation de la soufflante, en aval des aubes de soufflante. Une aube de stator est un aubage fixe dont la fonction consiste à redresser le flux à la sortie d’une aube de soufflante dans le flux secondaire de la turbomachine.
La présente invention s’applique aux aubes de stator réalisées en matériau composite, notamment pour en diminuer la masse.
Une aube de stator 1 configurée pour être montée dans la turbomachine 10, est illustrée schématiquement sur la figure 3.
L’aube de stator 1 s’étend suivant un axe d’allongement A. Cet axe A peut être sensiblement perpendiculaire (radial) ou incliné par rapport à l’axe longitudinal du moteur de la turbomachine.
L’aube 1 comprend une pale 2 s’étendant, d’une part, suivant l’axe A, et d’autre part, suivant un axe B. Cet axe B est sensiblement perpendiculaire à l’axe A et parallèle à l’axe longitudinal du moteur de la turbomachine. La pale 2 peut avoir une structure à profil aérodynamique pour former la partie aérodynamique de l’aube 1. La pale 2 comprend un intrados 22 et un extrados 24 reliés entre eux par un bord d’attaque 26 et un bord de fuite 28 de la pale 2. La pale 2 présente un profil incurvé d’épaisseur variable entre son bord d’attaque 26 et son bord de fuite 28.
La pale 2 comprend des éléments de fixation 20 à chacune de ces extrémités longitudinales 2a, 2b. Ces éléments de fixation 20 permettent de fixer l’aube 1 à un élément extérieur de l’aube, tel des plateformes 3, 4 décrites dans ce qui précède. Ces éléments de fixation 20 peuvent être intégrés à la pale 2 de l’aube. Par exemple, ces éléments de fixation 20 sont des supports aux plateformes 3, 4 des éléments extérieurs. Sur la figure 3, la pale 2 comprend une extrémité supérieure ou radiale externe (par rapport à l’axe A) avec des éléments de fixation 20 sous forme de platine, et une extrémité inférieure ou radiale interne (par rapport à l’axe A) avec un élément de fixation 20 sous forme d’une plaque.
L’aube 1 comprend également un bouclier 6 de protection du bord d’attaque 26, sous la forme d’un clinquant métallique. Ce bouclier 6 peut être collé sur le bord d’attaque 26 de la pale 2. Le bouclier 6 s’étend en hauteur (par rapport à l’axe A) et sur une portion en longueur (par rapport à l’axe B) de l’intrados 22 et de l’extrados 24 depuis le bord d’attaque 26 de la pale 2.
En référence à la , le bouclier 6 présente une forme générale allongée et à section transversale (par rapport à l’axe A) en « V » ou « U ». Le bouclier 6 comprend deux ailettes latérales 62, 64 (ou respectivement ailette intrados 62 et ailette extrados 64). Les ailettes 62, 64 sont jointes entre elles par une section centrale plus épaisse, appelée un nez 66. Les ailettes 62, 64 et le nez 66 sont monoblocs.
Chacune des ailettes 62, 64 comprend un bout longitudinal 620, 640 par rapport à l’axe B et des extrémités longitudinales 622, 642 et 624, 644 par rapport à l’axe A. Ces extrémités longitudinales forment respectivement, une extrémité supérieure 622, 642 et une extrémité inférieure 624, 644. Ces extrémités longitudinales 622, 642 et 624, 644 sont reliées entre elles, d’une part, par le bout longitudinal 620, 640 de l’ailette correspondante, et d’autre part, par le nez 66.
Le nez 66 est configuré pour recouvrir le bord d’attaque 26 de la pale 2 et les ailettes intrados et extrados 62, 64 sont configurées pour recouvrir, respectivement, les faces intrados 22 et extrados 24 de la pale 2.
L’une des particularités de l’invention est que le bouclier 6, en section transversale suivant l’axe A, présente une épaisseur maximale E1 au niveau du nez 66 et une épaisseur minimale E2, E3 au niveau des ailettes 62, 64. L’épaisseur maximale E1 est supérieure à l’épaisseur minimale E2, E3 (cf. figure 5). Contrairement à la présente invention, les épaisseurs E1’, E2’ et E3’ du nez 56 et des ailettes 52, 54 du bouclier 5 de l’art antérieur (figure 2) sont identiques. En effet, le bouclier 5 de l’art antérieur est réalisé à partir d’une tôle pliée avec une épaisseur constante pour former le nez 56 et les ailettes 52, 54.
De plus, ces ailettes 62, 64 sont asymétriques entre elles par rapport à un plan médian passant par l’axe A et le nez 66.
En référence à la figure 5, l’épaisseur maximale E1 du nez 66 décroit progressivement jusqu’à atteindre l’épaisseur minimale E2, E3 de chacun des bouts longitudinaux 620, 640 des ailettes 62, 64.
L’épaisseur E1 peut être 2 à 20 fois supérieure à l’une au moins des épaisseurs E2, E3. Avantageusement, l’épaisseur E1 est 2 à 10 fois supérieure à l’une au moins des épaisseurs E2, E3.
L’ailette intrados 62 présente une longueur L2 différente de la longueur L3 de l’ailette extrados 64. Sur l’exemple, l’ailette intrados 62 est plus petite que l’ailette extrados 64.
La différence de longueur ΔL entre les deux ailettes 62, 64 peut être comprise entre 5 et 50 mm. Avantageusement, cette différence de longueur ΔL est comprise entre 10 et 25 mm.
Le bouclier 6 de l’aube peut comprendre en outre au moins une échancrure 68 définissant un bord périphérique droit ou arrondi (cf. Figure 6). L’échancrure 68 s’étend sur l’une au moins des extrémités longitudinales 622, 642 et 624, 644 d’au moins une des ailettes 62, 64. Ceci permet notamment de réduire ou de supprimer un « bras de levier » entre l’ailette et la pale (c’est-à-dire une zone de liaison facilement sujette à un détachement en présence de force de cisaillement) en raccourcissant l’ailette du bouclier. Ceci permet d’empêcher le décollement de l’ailette notamment à partir de son bord périphérique (ou coin).
En référence à la figure 6, le bord droit de l’échancrure 68 est incliné d’un angle α par rapport au bord longitudinal 626 de l’ailette. L’angle α peut être compris entre 10 et 50°. Cet angle est mesuré dans un plan passant par l’ailette considérée.
Sur la figure 6, les deux extrémités longitudinales 622, 624 de l’ailette intrados 62 présentent chacune une échancrure 68.
Le bouclier 6 est fabriqué en un matériau ayant une meilleure résistante aux impacts que le matériau composite de l'aube 1. Le bouclier 6 est principalement métallique, et plus préférentiellement en acier ou en alliage à base de Nickel-Cobalt, tel que communément désigné par la marque déposée Inconel®. Le bouclier 6 à base de Nickel-Cobalt peut être fabriqué par électrodéposition. Le bouclier 6 pourrait également être en alliage à base de titane, comme par exemple le TA6V.
Claims (10)
- Aube de stator (1) pour une turbomachine (10) d’aéronef, l’aube(1) étant en matériau composite et comportant une pale (2) s’étendant suivant un axe longitudinal (A) et des éléments de fixation (20) à chacune de ses extrémités longitudinales (2a, 2b), la pale (2) comprenant un intrados (22) et un extrados (24) reliés entre eux par un bord d’attaque (26) et un bord de fuite (28) de la pale (2), l’aube (1) comportant en outre un bouclier métallique (6) s’étendant le long du bord d’attaque (26), le bouclier (6) comprenant deux ailettes latérales (62, 64) s’étendant, respectivement, sur l’intrados (22) et l’extrados (24) de la pale (2), et un nez (66) reliant les deux ailettes (62, 64) entre elles,
l’aube (1) étant caractérisée en ce que le nez (66) présente une épaisseur (E1) supérieure à des épaisseurs (E2, E3) respectives des ailettes latérales (62, 64), lesdites épaisseurs (E1, E2, E3) étant mesurées suivant une section transversale à l’axe (A) ; et en ce que les ailettes (62, 64) sont asymétriques entre elles par rapport à un plan médian passant par le nez et l’axe (A). - Aube (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’épaisseur du bouclier (6) décroit régulièrement entre le nez (66) et les ailettes latérales (62, 64).
- Aube (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l’épaisseur (D1) du nez (66) est 2 à 10 fois supérieure à l’une au moins des épaisseurs (D2, D3) des ailettes (62, 64).
- Aube (1) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l’une des ailettes (62, 64) présente une longueur (L2) différente par rapport à la longueur (L3) de l’autre des ailettes (64, 62).
- Aube (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que la différence de longueur (ΔL) entre les deux ailettes (62, 64) est comprise entre 5 et 50 mm, de préférence entre 10 et 25 mm.
- Aube (1) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu’au moins une des ailettes (62, 64) comprend au moins une extrémité longitudinale (622, 624 ; 642, 644) le long de l’axe (A), qui est munie d’une échancrure (68).
- Aube (1) selon la revendication 6, caractérisée en ce que ladite échancrure (68) définit un bord périphérique droit ou arrondi.
- Aube (1) selon la revendication 7, caractérisée en ce que le bord périphérique droit est incliné d’un angle α compris entre 10 et 50° par rapport un bord longitudinal (626) de l’ailette, cet angle étant mesuré dans un plan dans lequel s’étend cette ailette.
- Aube (1) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le bouclier (6) est réalisé en alliage métallique à base de Nickel et de Cobalt, ou à base de titane, ou en acier.
- Turbomachine (10) d’aéronef comprenant au moins une aube (1) selon l’une des revendications précédentes.
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- 2021-03-31 FR FR2103311A patent/FR3121475A1/fr active Pending
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