FR3122208A1

FR3122208A1 - Procede de finition d’une aube composite pour turbomachine d’aeronef

Info

Publication number: FR3122208A1
Application number: FR2104157A
Authority: FR
Inventors: Anandavelou MOUNIEN Richard; Didier QUEANT; Pierre-Alexis POULET
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2021-04-21
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2022-10-28

Abstract

L’invention concerne un procédé de finition d’une aube composite (10) de turbomachine d’aéronef, cette aube (10) comportant une pale (12) formée à partir d’une préforme fibreuse noyée dans une matrice polymérique. Selon l’invention, le procédé comprend les étapes de : a) pesée de l’aube (10) pour en déterminer sa masse réelle, b) détermination d’un écart entre une masse théorique et sa masse réelle, et c) application d’un revêtement sur la pale (12), ce revêtement ayant un volume qui est fonction dudit écart et d’une densité de ce revêtement après séchage. Figure pour l'abrégé : Figure 1

Description

PROCEDE DE FINITION D’UNE AUBE COMPOSITE POUR TURBOMACHINE D’AERONEF

Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne le domaine de la fabrication des aubes de soufflante de turbomachine. Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de finition d’une aube composite de turbomachine d’aéronef.

Arrière-plan technique

De manière classique et connue en soi, une soufflante de turbomachine présente un disque central tournant autour d’un axe de rotation passant sensiblement en son centre. Une pluralité d’aubes sont montées sur le disque central, de manière également réparties autour de sa circonférence. Pour ce faire, le disque central présente, à sa périphérie, une série d’alvéoles et chaque aube comprend un pied correspondant. Ainsi, chaque aube peut être emmanchée dans l’alvéole correspondante du disque central et être retenue à la périphérie de celui-ci selon des mécanismes connus de l’état de la technique.

Chaque aube est typiquement une aube en matériau composite. Chaque aube composite est par exemple formée à partir d’une préforme fibreuse noyée dans une matrice polymérique, selon un procédé de fabrication tel que par exemple décrit dans l’un des documents brevet FR-A1-2 956 057, FR-A1-3 029 134 ou FR-A1-3 051 386.

Chaque aube est montée sur le disque central en fonction de son inertie propre et de son inertie relative par rapport à ses voisines. Ce montage méticuleux est classiquement dénommé « équilibrage ».

Classiquement, pour l’équilibrage d’une hélice de rotor (par exemple une soufflante), on utilise deux notions principales : la masse (« weight » en anglais) et le « poids moment radial » (« radial moment weight » (RMW) en anglais) de chaque aube.

L’équilibrage d’un rotor est primordial pour éviter que la rotation n'induise un effort perpendiculaire à l'axe de rotation et n’use prématurément le rotor, pour un meilleur rendement et une performance optimale.

La mesure de la masse consiste simplement à mesurer la masse de chaque aube, de manière à pouvoir les ajuster sur le disque central pour que d’une part, les charges autour du disque soient équilibrées et d’autre part, minimiser les balourds potentiels. Toutefois, cet ajustement des aubes deux à deux n’est pas suffisant. Ou plutôt, il est suffisant si le centre de gravité de chaque aube est situé à égale distance du centre du disque central. Pour équilibrer le rotor, il faut équilibrer les forces générées par les aubes relativement à l’axe de rotation. La force engendrée par une aube est appelée « poids moment radial » de l’aube. Le poids moment radial d’une aube est égal à la masse de l’aube multipliée par la distance entre le centre de gravité de l’aube et l’axe de rotation. Lorsque le poids moment radial de chaque aube est égal à celui des autres, alors le rotor est parfaitement équilibré. Comme chaque personne du métier le sait, la durée de vie d’un rotor dépend en partie de son équilibrage..

Ainsi, de manière bien connue en soi, le poids moment radial des aubes est un paramètre critique dans les problématiques liées à la durée de vie du rotor. Il s’agit donc d’homogénéiser du mieux possible le poids moment radial (RMW) des aubes afin d’en limiter la dispersion au maximum.

Dans les procédés de fabrication actuels, les aubes composites sont fabriquées sans ajuster individuellement le RMW de chaque aube. En effet, à l’issue de la finition de chaque aube (application d’un revêtement, ajout de peinture, etc…), on mesure le RMW de l’aube et les aubes sont ensuite montées sur le disque de soufflante. Les aubes ne sont pas retravaillées après mesure de leurs RMW.

Il y a donc un fort intérêt à diminuer la dispersion du RMW pour l’ensemble des aubes. Aujourd’hui, pour pallier cette dispersion, on ajoute des masselottes d’équilibrage , a posteriori, dans le cône du module de soufflante au moment du montage de l’ensemble de la soufflante sur la turbomachine. Cette solution permet d’ajuster le poids moment radial sur le jeu d’aubes complet de la soufflante mais aucune solution n’existe actuellement pour ajuster ce paramètre sur chaque aube prise individuellement.

En moyenne, on se rend compte empiriquement que pour améliorer la capabilité en poids moment radial de l’ensemble des aubes, il serait nécessaire de pouvoir bénéficier d’une marge de 15 g au total sur la masse de chacune des aubes.

L’objectif de la présente invention est d’améliorer l’équilibrage et la durée de vie d’une soufflante de turbomachine en permettant à la fois un ajustement de la masse de chaque aube de la soufflante et une amélioration de la capabilité en poids moment radial de chaque aube et de l’ensemble des aubes.

L’invention propose ainsi un procédé de finition d’une aube composite de turbomachine d’aéronef, cette aube comportant une pale formée à partir d’une préforme fibreuse noyée dans une matrice polymérique.

Selon l’invention, le procédé comprend les étapes de :

a) pesée de l’aube pour en déterminer sa masse réelle,

b) détermination d’un écart entre une masse théorique et sa masse réelle, et

c) application d’un revêtement sur la pale, ce revêtement ayant un volume qui est fonction dudit écart et d’une densité de ce revêtement après séchage.

Ainsi, la solution selon l’invention permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, on évite un éparpillement des poids moment radiaux des aubes par une solution d’anticipation. On ajuste à la fois la masse de chaque aube et son moment poids radial en fin de gamme de production, au moment de la finition de l’aube. Ceci permet d’obtenir une meilleure capabilité du poids moment radial c’est-à-dire un ajustement du poids moment radial de chaque aube par rapport à celui des autres aubes. On permet ainsi un recentrage de la soufflante autour de son axe de rotation. L’équilibrage de la soufflante est optimisé et sa durée de vie est améliorée. En outre, les coûts induits par les non-conformités (traitement de dérogations) sont évités.

Le procédé de finition d’une aube composite 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’étape a) est précédée d’une ou plusieurs des étapes suivantes :

i1) application d’un primaire sur la pale,

i2) séchage du primaire, par évaporation d’un solvant,

i3) ébavurage de la pale,

i4) cuisson et durcissement du primaire sur la pale,

i5) refroidissement de la pale,

i6) inspection visuelle de la pale,

i7) sablage de la pale ;

- le primaire est à base d’époxy polyamide comprenant une base et un durcisseur ;

- l’étape c) est suivie d’une ou plusieurs des étapes suivantes :

j1) séchage du revêtement, par évaporation d’un solvant,

j2) ébavurage de la pale,

j3) cuisson et durcissement du revêtement sur la pale ;

-- la ou chaque étape de cuisson est réalisée à une température comprise entre 60 et 100°C, et pendant une durée comprise entre 20 et 90 min ;- au moins une partie des étapes, et de préférence toutes les étapes, est/sont réalisée(s) de manière automatisée ;

- les étapes sont mises en œuvre par déplacement de l’aube entre plusieurs postes de travail automatisés, par l’intermédiaire de tapis convoyeurs ;

- le revêtement est une peinture ; et

- la peinture est à base de polyuréthane souple comprenant une base et un durcisseur.

La présente invention concerne également une installation automatisée pour la mise en œuvre d’un procédé tel que décrit ci-dessus.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :

la est une vue schématique en perspective d’une aube composite finie via un procédé de finition selon l’invention,

la est un organigramme représentant une succession d’étapes d’un procédé de finition d’une aube composite selon l’invention, et

la est une vue schématique d’une installation automatisée pour la mise en œuvre du procédé de finition de la , selon un mode de réalisation particulier de l’invention.

Description détaillée de l'invention

Comme illustré en , une aube 10 de turbomachine d’aéronef en général et de soufflante en particulier comprend classiquement une pale 12 qui s’étend entre une extrémité libre et un pied 14. Ce pied 14 est destiné à être emmanché dans une alvéole correspondante du disque central de la soufflante (non représenté). De manière classique, au moins une bande anti-usure 16 peut être fixée sur le pied 14, par exemple par collage, afin de limiter l’usure par frottement entre le pied 14 de l’aube et l’alvéole correspondante.

Les aubes 10 de soufflante sont souvent en matériau composite. Typiquement, la pale 12 de chaque aube 10 peut être formée à partir d’une préforme fibreuse noyée dans une matrice polymérique.

La pale 12 de chaque aube 10 a un profil aérodynamique et présente un bord d’attaque 12a, un bord de fuite 12b, un intrados 18 et un extrados 20. Le bord d’attaque 12a est renforcé par un bouclier métallique 22 qui s’étend le long du bord d’attaque et est collé sur celui-ci

Chaque aube 10 présente ainsi un centre de gravité propre et donc un poids moment radial (RMW) propre. Ce poids moment radial RMW peut être ajusté en modifiant la masse de l’aube 10.

Afin d’optimiser l’équilibrage de la soufflante, il est souhaitable d’homogénéiser au maximum le poids moment radial RMW de chaque aube 10. Selon la présente invention, cette homogénéisation se fait en usine en fin de gamme de production, au moment de la finition de l’aube 10 selon un procédé de finition illustré sur la et qui comporte au moins les étapes suivantes (réalisées chronologiquement dans l’ordre d’énonciation) :

pesée de l’aube 10 pour en déterminer sa masse réelle,
détermination d’un écart entre une masse théorique et sa masse réelle, et
application d’un revêtement sur la pale 12, ce revêtement ayant un volume qui est fonction de l’écart constaté et d’une densité de ce revêtement après séchage.

De préférence, le revêtement qui est appliqué au cours de l’étape c) est une peinture. La peinture utilisée est typiquement une peinture appartenant à la famille des peintures en polyuréthane souple comprenant une base et un durcisseur. Il s’agit par exemple d’une peinture LBYH 203 fabriquée par Mäder Aero. La peinture peut également comprendre, en complément de la base et du durcisseur, le diluant DL 1511 et/ou le promoteur d’adhérence LED 348 commercialisés par le même fabricant.

La masse théorique se détermine par exemple dans le logiciel de conception 3D de l’aube de soufflante, où l’on applique les valeurs de masse volumique respectives à chaque volume des constituants de l’aube de soufflante, par exemple : la pale, la peinture, chaque revêtement anti-usure, le bouclier métallique, etc. Une fois cette masse théorique déterminée, on peut la comparer lors de l’étape b) à la masse réelle de l’aube 10 considérée et déterminer un volume de revêtement correspondant à appliquer sur la pale 12. Par exemple, pour une pale de taille standard, typiquement une pale de 1 m2 de surface, si l’écart entre la masse théorique et la masse réelle de l’aube 10 est de 15 g, cela signifie qu’il faut déposer 15 g de peinture sur la pale 12. Si la densité de la peinture après séchage est de 1,5 g/cm2, cela donne un volume de 10 cm3 à appliquer. Ainsi, pour la pale ayant une surface de 1 m2, cela donne un revêtement final de peinture de 10 μm d’épaisseur.

Entre l’étape a) de pesée et l’étape c) d’application d’un revêtement sur la pale 12, l’aube 10 est par exemple replacée sur une fixation d’un circuit de peinture automatique 26, comme cela sera décrit par la suite.

De préférence, comme illustré sur la , l’étape a) de pesée de l’aube 10 est précédée d’une ou plusieurs des étapes suivantes :

i1) application d’un primaire sur la pale 12,

i2) séchage du primaire, par évaporation d’un solvant,

i3) ébavurage de la pale 12,

i4) cuisson et durcissement du primaire sur la pale 12,

i5) refroidissement de la pale 12,

i6) inspection visuelle de la pale 12, et

i7) sablage de la pale 12.

De préférence, le primaire utilisé appartient à la famille des primaires en époxy polyamide comprenant une base et un durcisseur. Le primaire est par exemple un primaire PCEH100 fabriqué par Mäder Aero. Le primaire peut également comprendre, en complément de la base et du durcisseur, le diluant DL 1511 et/ou le promoteur d’adhérence LED 348 commercialisés par le même fabricant.

Les étapes i1) à i7) peuvent être effectuées dans l’ordre chronologique détaillé ci-dessus. En variante cependant, au moins certaines de ces étapes i1) à i7) peuvent être effectuées dans un ordre différent.

Les étapes i2) et i3) de séchage et d’ébavurage sont par exemple réalisées pendant une durée de 30 min au total.

L’étape i4) de cuisson et de durcissement du primaire sur la pale 12 est de préférence réalisée à une température comprise entre 60 et 100°C, et pendant une durée comprise entre 20 et 90 min. Par exemple, l’étape de cuisson i4) est réalisée à une température de 80°C, pendant une durée de 60 min.

L’étape i5) de refroidissement de la pale 12 est par exemple réalisée pendant une durée de 12 min.

L’étape i7) de sablage de la pale 12 est par exemple réalisée pendant une durée de 45 min.

De préférence, comme illustré sur la , l’étape c) d’application d’un revêtement sur la pale 12 est suivie d’une ou plusieurs des étapes suivantes :

j1) séchage du revêtement, par évaporation d’un solvant,

j2) ébavurage de la pale 12, et

j3) cuisson et durcissement du revêtement sur la pale 12.

Les étapes j1) à j3) peuvent être effectuées dans l’ordre chronologique détaillé ci-dessus. En variante cependant, au moins certaines de ces étapes j1) à j3) peuvent être effectuées dans un ordre différent.

Les étapes j1) et j2) de séchage et d’ébavurage sont par exemple réalisées pendant une durée de 30 min au total.

L’étape j3) de cuisson et de durcissement du revêtement sur la pale 12 est de préférence réalisée à une température comprise entre 60 et 100°C, et pendant une durée comprise entre 20 et 90 min. Par exemple, l’étape de cuisson j3) est réalisée à une température de 80°C, pendant une durée de 30 min. A l’issue de l’étape j3) de cuisson, l’aube 10 est déchargée de sa fixation.

Au moins une partie des étapes a) à c), i1) à i7), et j1) à j3), et de préférence toutes ces étapes, sont réalisées de manière automatisée. Plus précisément, au moins une partie de ces étapes, et de préférence toutes ces étapes, sont mises en œuvre par une installation automatisée 26 de type cabine automatique représentée schématiquement sur la . La mise en œuvre de ces étapes par l’installation automatisée 26 est effectuée par déplacement de l’aube 10 entre plusieurs postes de travail automatisés 30 - 46, par l’intermédiaire de tapis convoyeurs 28 par exemple.

Selon le mode de réalisation particulier illustré sur la , l’installation automatisée 26 comprend par exemple un poste automatisé 30 d’application du primaire, un poste automatisé 32 de séchage du primaire et d’ébavurage de la pale 12, un poste automatisé 34 de cuisson du primaire, un poste automatisé de refroidissement 36, un poste d’inspection visuelle 37, une ou plusieurs cabines de sablage 38, un dispositif 40 de mesure du poids moment radial RMW de l’aube 10, un poste automatisé 42 d’application de peinture, un poste automatisé 44 de séchage de la peinture et d’ébavurage de la pale 12 et un poste automatisé 46 de cuisson de la peinture. Le poste automatisé 42 d’application de peinture est configuré pour permettre à un opérateur un suivi et un contrôle du volume de peinture à appliquer sur l’aube 10.

Le dispositif 40 de mesure du poids moment radial RMW de l’aube 10 est configuré pour ne pas générer d’encombrement supplémentaire significatif dans le circuit de cabine automatique 26. Une première pesée est effectuée par le dispositif 40 avant application de peinture pour calibrer la masse de peinture à appliquer sur l’aube 10. Ceci permet d’anticiper ou de corriger la masse de peinture à appliquer pour s’assurer d’être dans les spécifications définies pour le poids moment radial RMW de l’aube 10. Eventuellement, une seconde pesée est effectuée par le dispositif 40 après application de peinture pour confirmer que l’aube 10 entre bien dans les spécifications prévues.

Au début 29 du circuit de cabine automatique 26, l’aube 10 est chargée sur une fixation (non représentée) qui se déplace via un tapis convoyeur 28. A la fin 48 du circuit de cabine automatique 26, l’aube 10 est déchargée de la fixation. Juste après l’étape i6) d’inspection visuelle de la pale 12, l’aube 10 peut être déchargée de la fixation, puis replacée sur cette dernière avant l’étape c) d’application d’un revêtement sur la pale 12.

La présente invention permet donc de corriger la masse de l’aube 10 pour être, en fin de gamme de production au moment de la finition de l’aube, comprise dans la marge de tolérance de RMW définie. Ainsi, la capabilité en production sur cette grandeur est optimisée. La production est en effet recentrée en bénéficiant d’une marge de 15 g au total sur la masse de chacune des aubes.

En outre, les coûts induits par les non-conformités (traitement dérogations) sont évités.

De plus, en considérant le vieillissement des aubes 10 dans une turbomachine en fonction dans des conditions d’utilisation similaires aux turbomachines munies de soufflantes de l’état de la technique actuel, les poids moments radiaux RMW des aubes 10 selon l’invention étant recentrés, la chute de poids moment RMW lié au vieillissement des aubes 10 de la turbomachine est mieux anticipée.

Enfin, la présente invention permet avantageusement de s’affranchir de l’utilisation de masselottes d’équilibrage dans le cône du module de soufflante pour pallier à la dispersion du RMW pour l’ensemble des aubes.

Claims

Procédé de finition d’une aube composite (10) de turbomachine d’aéronef, cette aube (10) comportant une pale (12) formée à partir d’une préforme fibreuse noyée dans une matrice polymérique, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes de :
a) pesée de l’aube (10) pour en déterminer sa masse réelle,
b) détermination d’un écart entre une masse théorique et sa masse réelle, et
c) application d’un revêtement sur la pale (12), ce revêtement ayant un volume qui est fonction dudit écart et d’une densité de ce revêtement après séchage.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape a) est précédée d’une ou plusieurs des étapes suivantes :
i1) application d’un primaire sur la pale (12),
i2) séchage du primaire, par évaporation d’un solvant,
i3) ébavurage de la pale (12),
i4) cuisson et durcissement du primaire sur la pale (12),
i5) refroidissement de la pale (12),
i6) inspection visuelle de la pale (12),
i7) sablage de la pale (12).
Procédé selon la revendication 2, dans lequel le primaire est à base d’époxy polyamide comprenant une base et un durcisseur.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape c) est suivie d’une ou plusieurs des étapes suivantes :
j1) séchage du revêtement, par évaporation d’un solvant,
j2) ébavurage de la pale (12),
j3) cuisson et durcissement du revêtement sur la pale (12).
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins une partie des étapes, et de préférence toutes les étapes, est/sont réalisée(s) de manière automatisée.
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel les étapes sont mises en œuvre par déplacement de l’aube (10) entre plusieurs postes de travail automatisés (30 – 46), par l’intermédiaire de tapis convoyeurs (28).
Procédé selon la revendication précédente, dans laquelle le revêtement est une peinture.
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la peinture est à base de polyuréthane souple comprenant une base et un durcisseur.
Installation automatisée (26) pour la mise en œuvre d’un procédé selon l’une des revendications précédentes.