FR3126639A1 - Blade comprising a composite material structure and associated manufacturing method - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une préforme fibreuse (20) d’une aube (7) de soufflante obtenue par tissage tridimensionnel de torons comprenant: - une partie de pale (17) comprenant une première et une deuxième peau (21) en vis-à-vis comprenant un renfort fibreux, les première et deuxième peaux (21) présentant chacune une face interne (26) délimitant entre elles une cavité (22); et - un ensemble de raidisseurs (28) s’étendant dans la cavité (22), les raidisseurs (28) étant fixés sur la face interne (26) de la première peau (21) et/ou de la deuxième peau (21) ;la préforme fibreuse (20) étant caractérisée en ce que les raidisseurs (28) comprennent chacun une pluralité de torons unidirectionnels (29) qui sont non tissés sur une majorité d’une leur longueur dans la cavité (22) et sont maintenus ensemble au sein de la cavité (22) par une pluralité de torons (t4) provenant de la première peau (21). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 The present invention relates to a fibrous preform (20) of a fan blade (7) obtained by three-dimensional weaving of strands comprising: - a blade part (17) comprising a first and a second skin (21) facing screw comprising a fibrous reinforcement, the first and second skins (21) each having an internal face (26) delimiting between them a cavity (22); and - a set of stiffeners (28) extending into the cavity (22), the stiffeners (28) being fixed to the internal face (26) of the first skin (21) and/or of the second skin (21) ;the fibrous preform (20) being characterized in that the stiffeners (28) each comprise a plurality of unidirectional strands (29) which are nonwoven over a majority of their length in the cavity (22) and are held together at the within the cavity (22) by a plurality of strands (t4) coming from the first skin (21). Figure for the abstract: Fig. 1
Description
DOMAINE DE L'INVENTIONFIELD OF THE INVENTION
L’invention concerne une aube de soufflante (ou d’hélice) d’un système propulsif pouvant comprendre une structure en matériau composite.The invention relates to a fan (or propeller) blade of a propulsion system which may comprise a structure made of composite material.
L’invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, une aube destinée à être utilisée dans un rotor de soufflante non-carénée de moteur d’aéronef (tels qu’un moteur de type « Open Rotor », c’est-à-dire dont la soufflante n’est pas carénée, présentant deux hélices tournantes ou un moteur de type USF pour « Unducted Single Fan » présentant un aubage mobile et un aubage fixe ou un turbopropulseur présentant une architecture avec une seule hélice) ou dans un rotor d’éolienne.The invention relates more particularly, but not exclusively, to a blade intended to be used in an unducted fan rotor of an aircraft engine (such as an engine of the "Open Rotor" type, that is to say whose fan is not shrouded, having two rotating propellers or an engine of the USF type for "Unducted Single Fan" having a moving vane and a fixed vane or a turboprop having an architecture with a single propeller) or in a rotor of wind turbine.
ETAT DE LA TECHNIQUESTATE OF THE ART
La conception des aubes de soufflante nécessite de prendre en compte des contraintes antagonistes.The design of fan blades requires taking into account antagonistic constraints.
D’un côté, le dimensionnement de ces aubes doit permettre des performances aérodynamiques optimales (maximiser le rendement et fournir la poussée tout en minimisant les pertes). L’amélioration des performances aérodynamiques de la soufflante tendant vers une augmentation du taux de dilution (ou BPR, acronyme anglais de bypass ratio) implique une augmentation du diamètre externe et donc de l’envergure de ces aubes.On the one hand, the sizing of these blades must allow optimal aerodynamic performance (maximizing efficiency and providing thrust while minimizing losses). Improving the aerodynamic performance of the fan tending towards an increase in the bypass ratio (or BPR, English acronym for bypass ratio) implies an increase in the external diameter and therefore the span of these blades.
D’un autre côté, il est également nécessaire de garantir une résistance aux contraintes mécaniques pouvant s’exercer sur ces aubes tout en limitant leur signature acoustique.On the other hand, it is also necessary to guarantee resistance to the mechanical stresses that can be exerted on these blades while limiting their acoustic signature.
L’intérêt des moteurs à soufflante (ou hélice) non-carénée est que le diamètre de la soufflante n’est pas limité par la présence d’un carénage, de sorte qu’il est possible de concevoir un moteur présentant un fort taux de dilution, et par conséquent une consommation réduite de carburant.The advantage of unducted fan (or propeller) engines is that the diameter of the fan is not limited by the presence of a fairing, so that it is possible to design an engine with a high rate of dilution, and therefore reduced fuel consumption.
Ainsi, dans ce type de moteur, les aubes de la soufflante peuvent présenter une grande envergure.Thus, in this type of engine, the blades of the fan can have a large span.
Il a été proposé de réaliser ces aubes en matériau métallique. Si les aubes en matériau métallique ont une bonne résistance mécanique, elles présentent toutefois l’inconvénient d’avoir une masse relativement importante.It has been proposed to make these vanes out of metallic material. Although blades made of metallic material have good mechanical strength, they nevertheless have the disadvantage of having a relatively large mass.
Afin de réduire cette masse, il est souhaitable de pouvoir fabriquer ces aubes en matériau composite. A cet effet, le matériau composite des aubes de soufflante comprend un renfort fibreux réalisé par tissage tridimensionnel densifié par une matrice polymère. Le cas échéant, les aubes peuvent comprendre des peaux réalisées en matériau composite et définissant la structure à profil aérodynamique de l’aube, et un longeron logé au sein des peaux et formant le pied et l’échasse de l’aube configuré pour augmenter la raideur de l’aube (notamment en torsion) et résister aux excitations vibratoires subies par l’aube au cours des différentes phases de vol. Il ressort toutefois que la fabrication de telles aubes en matériau composite peut être complexe d’un point de vue process.In order to reduce this mass, it is desirable to be able to manufacture these blades in composite material. To this end, the composite material of the fan blades comprises a fibrous reinforcement produced by three-dimensional weaving densified by a polymer matrix. Where appropriate, the blades may comprise skins made of composite material and defining the aerodynamic profile structure of the blade, and a spar housed within the skins and forming the root and the stilt of the blade configured to increase the stiffness of the blade (in particular in torsion) and resist the vibratory excitations undergone by the blade during the various phases of flight. However, it appears that the manufacture of such blades in composite material can be complex from a process point of view.
De plus, les moteurs à soufflante non carénée comprennent généralement un mécanisme permettant de modifier l’angle de calage des aubes afin d’adapter la poussée générée par la soufflante en fonction des différentes phases de vol. A cet effet, les aubes sont fixées au niveau de leur pied par l’intermédiaire d’une attache montée rotative par rapport au moyeu autour d’un axe de calage. Les aubes sont donc fortement soumises à des efforts centrifuges lors de la rotation de la soufflante ainsi qu’à une excitation vibratoire intense variable selon les phases de vol et l’angle de calage des aubes qui endommage la partie inférieure du pied (fretting).In addition, unducted fan engines generally include a mechanism for modifying the pitch angle of the blades in order to adapt the thrust generated by the fan according to the different phases of flight. To this end, the blades are fixed at the level of their root by means of a fastener mounted rotatably with respect to the hub around a wedging axis. The blades are therefore strongly subjected to centrifugal forces during the rotation of the fan as well as to an intense vibratory excitation which varies according to the phases of flight and the pitch angle of the blades which damages the lower part of the foot (fretting).
Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités, en proposant une aube de soufflante, notamment en matériau composite, et une soufflante comprenant de telles aubes, en particulier à calage variable, qui soit simple à réaliser tout en présentant une raideur et une tenue mécanique améliorées et une faible masse.An object of the invention is to remedy the aforementioned drawbacks, by proposing a fan blade, in particular made of composite material, and a fan comprising such blades, in particular with variable pitch, which is simple to produce while having stiffness and improved mechanical strength and low mass.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention une préforme fibreuse d’une aube de soufflante obtenue par tissage tridimensionnel de torons comprenant:
- une partie de pale à profil aérodynamique comprenant une première peau et une deuxième peau en vis-à-vis comprenant un renfort fibreux, les première et deuxième peaux présentant chacune une face interne délimitant entre elles une cavité; et
- un ensemble de raidisseurs s’étendant dans la cavité, les raidisseurs étant fixés sur la face interne de la première peau et/ou de la deuxième peau ;
la préforme fibreuse étant caractérisée en ce que les raidisseurs comprennent chacun une pluralité de torons unidirectionnels qui sont non tissés sur une majorité d’une leur longueur dans la cavité et sont maintenus ensemble au sein de la cavité par une pluralité de torons provenant de la première peau.For this purpose, according to a first aspect of the invention, a fibrous preform of a fan blade obtained by three-dimensional weaving of strands is proposed, comprising:
- a blade part with an aerodynamic profile comprising a first skin and a second skin facing each other comprising a fibrous reinforcement, the first and second skins each having an internal face delimiting a cavity between them; And
- A set of stiffeners extending into the cavity, the stiffeners being fixed to the internal face of the first skin and/or of the second skin;
the fibrous preform being characterized in that the stiffeners each comprise a plurality of unidirectional strands which are nonwoven over a majority of their length in the cavity and are held together within the cavity by a plurality of strands coming from the first skin.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de la préforme fibreuse selon le premier aspect sont les suivants, pris individuellement ou en combinaison ;
- les torons de la préforme fibreuse comprennent des torons de chaîne s’étendant suivant une première direction de l’aube et des torons de trame s’étendant suivant une deuxième direction de l’aube, les raidisseurs de l’ensemble de raidisseurs comprenant des premiers torons unidirectionnels s’étendant suivant la première direction et/ou des deuxièmes torons unidirectionnels s’étendant suivant la deuxième direction ;
- la préforme comprend en outre une zone de pied configurée pour être inséré dans un moyeu de la soufflante et une zone d’échasse s’étendant entre la zone de pied et la partie de pale, l’aube comprenant en outre des raidisseurs qui sont fixés sur une face externe des peaux dans la zone d’échasse ;
- les raidisseurs dans la zone d’échasse comprennent des torons unidirectionnels des raidisseurs de l’ensemble de raidisseurs ;
- la zone de pied est dépourvue de torons unidirectionnels ;
- chaque peau comprend au moins quatre couches de torons de trame ;
- les raidisseurs s’étendent dans la cavité à proximité d’un bord d’attaque de l’aube ;
- les raidisseurs s’étendent à distance d’un sommet de l’aube.Certain preferred but non-limiting characteristics of the fibrous preform according to the first aspect are the following, taken individually or in combination;
- the strands of the fiber preform comprise warp strands extending along a first direction of the blade and weft strands extending along a second direction of the blade, the stiffeners of the set of stiffeners comprising first unidirectional strands extending along the first direction and/or second unidirectional strands extending along the second direction;
- the preform further comprises a root zone configured to be inserted into a hub of the fan and a stilt zone extending between the root zone and the blade part, the blade further comprising stiffeners which are attached to an outer face of the skins in the stilt area;
- the stiffeners in the stilt area comprise unidirectional strands of the stiffeners of the set of stiffeners;
- the foot area is devoid of unidirectional strands;
- each skin comprises at least four layers of weft strands;
- the stiffeners extend into the cavity close to a leading edge of the blade;
- the stiffeners extend away from a top of the blade.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose une aube comprenant une préforme fibreuse selon le premier aspect une matrice dans laquelle est noyée la préforme fibreuse.According to a second aspect, the invention proposes a blade comprising a fibrous preform according to the first aspect, a matrix in which the fibrous preform is embedded.
Selon un troisième aspect, l’invention propose une soufflante comprenant un moyeu et des aubes conformes au premier aspect s’étendant radialement à partir du moyeu, chaque aube étant montée rotative par rapport au moyeu par l’intermédiaire d’une attache respective.According to a third aspect, the invention proposes a fan comprising a hub and blades in accordance with the first aspect extending radially from the hub, each blade being rotatably mounted with respect to the hub via a respective attachment.
Selon un quatrième aspect, l’invention propose un système propulsif comprenant une soufflante selon le deuxième aspect et un aéronef comprenant au moins un système propulsif selon le troisième aspect.According to a fourth aspect, the invention proposes a propulsion system comprising a fan according to the second aspect and an aircraft comprising at least one propulsion system according to the third aspect.
DESCRIPTION DES FIGURESDESCRIPTION OF FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :Other characteristics, objects and advantages of the invention will emerge from the description which follows, which is purely illustrative and not limiting, and which must be read in conjunction with the appended drawings in which:
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.In all the figures, similar elements bear identical references.
Claims (10)
- une partie de pale (17) à profil aérodynamique comprenant une première peau (21) et une deuxième peau (21) en vis-à-vis comprenant un renfort fibreux, les première et deuxième peaux (21) présentant chacune une face interne (26) délimitant entre elles une cavité (22); et
- un ensemble de raidisseurs (28) s’étendant dans la cavité (22), les raidisseurs (28) étant fixés sur la face interne (26) de la première peau (21) et/ou de la deuxième peau (21) ;
la préforme fibreuse (20) étant caractérisée en ce que les raidisseurs (28) comprennent chacun une pluralité de torons unidirectionnels (29) qui sont non tissés sur une majorité d’une leur longueur dans la cavité (22) et sont maintenus ensemble au sein de la cavité (22) par une pluralité de torons (t4) provenant de la première peau (21).Fibrous preform (20) of a fan blade (7) obtained by three-dimensional weaving of strands comprising:
- a blade part (17) with an aerodynamic profile comprising a first skin (21) and a second skin (21) facing each other comprising a fibrous reinforcement, the first and second skins (21) each having an internal face ( 26) delimiting between them a cavity (22); And
- a set of stiffeners (28) extending into the cavity (22), the stiffeners (28) being fixed to the internal face (26) of the first skin (21) and/or of the second skin (21);
the fibrous preform (20) being characterized in that the stiffeners (28) each comprise a plurality of unidirectional strands (29) which are nonwoven over a majority of their length in the cavity (22) and are held together within of the cavity (22) by a plurality of strands (t 4 ) coming from the first skin (21).
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