FR3127425A1 - ASSEMBLY FOR AN AIRCRAFT TURBOMACHINE - Google Patents
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Abstract
L’assemblage (1) destiné à une turbomachine pour aéronef comprend une pièce (P1) en matériau composite comportant un premier orifice (2), au moins une pièce (P2) en métal comprenant un deuxième orifice (3), un dispositif de serrage (4) des pièces (P1, P2) et comportant une vis (5) traversant les orifices (2, 3), et un élément de renfort (7) monté dans le premier orifice (2) et agencé entre la vis (5) et la pièce (P1) en matériau composite, l’élément de renfort (7) comportant une structure tubulaire (8) dont une première extrémité (10) présente une surface externe tronconique prenant appui sur une portion d’un bord (2A) du premier orifice (2), cette surface externe (10B) étant non lisse et comportant une rugosité ou une microstructure prédéterminée. Figure pour l'abrégé : Figure 2The assembly (1) intended for a turbine engine for an aircraft comprises a part (P1) made of composite material comprising a first orifice (2), at least one part (P2) made of metal comprising a second orifice (3), a clamping device (4) parts (P1, P2) and comprising a screw (5) passing through the orifices (2, 3), and a reinforcing element (7) mounted in the first orifice (2) and arranged between the screw (5) and the part (P1) made of composite material, the reinforcing element (7) comprising a tubular structure (8) of which a first end (10) has a frustoconical external surface resting on a portion of an edge (2A) of the first orifice (2), this outer surface (10B) being non-smooth and comprising a roughness or a predetermined microstructure. Figure for the abstract: Figure 2
Description
Domaine technique de l'inventionTechnical field of the invention
La présente invention concerne un assemblage destiné à une turbomachine pour aéronef comportant au moins une pièce mécanique en matériau composite et un élément de renfort de cette pièce. La présente invention concerne également une turbomachine d’aéronef comportant un tel assemblage.The present invention relates to an assembly intended for a turbine engine for an aircraft comprising at least one mechanical part made of composite material and a reinforcing element for this part. The present invention also relates to an aircraft turbine engine comprising such an assembly.
Arrière-plan techniqueTechnical background
De manière générale, la consommation de carburant et donc l’émission de gaz à effet de serre par un aéronef dépend de sa masse. Il est donc courant de chercher à rendre un aéronef plus léger en réduisant la masse de certains de ces éléments, notamment ses turbomachines.In general, the fuel consumption and therefore the emission of greenhouse gases by an aircraft depends on its mass. It is therefore common to seek to make an aircraft lighter by reducing the mass of some of these elements, in particular its turbomachines.
Il est possible d’y parvenir en remplaçant certaines pièces métalliques dans les panneaux acoustiques, les carters ou encore les redresseurs («Outlet Guide Vanes» ou OGV en anglais), par des pièces en matériau composite.It is possible to achieve this by replacing certain metal parts in the acoustic panels, the casings or even the rectifiers (“ Outlet Guide Vanes ” or OGVs in English), with parts made of composite material.
Il est connu de réaliser ces pièces non métalliques à partir de matrice organique (CMO) ou bien de résine thermoplastique ou thermodurcissable par moulage par transfert de résine (Resin Transfer Moldingou RTM en anglais), par infusion, par drapage, par injection basse et haute pression, par compression, ou par tout autre procédé de mise en forme.It is known to produce these non-metallic parts from an organic matrix (CMO) or from thermoplastic or thermosetting resin by resin transfer molding ( Resin Transfer Molding or RTM in English), by infusion, by draping, by low injection and high pressure, by compression, or by any other shaping process.
Bien que ces pièces en matériau composite présentent comme avantage principal d’être plus légères que des pièces métalliques de fonction similaire, elles sont également moins résistantes mécaniquement et moins rigides.Although these composite material parts have the main advantage of being lighter than metal parts of similar function, they are also less mechanically resistant and less rigid.
Par ailleurs, la fixation d’une pièce en matériau composite avec une pièce en métal par un dispositif de serrage, tel qu’un boulon ou un système vis-écrou, génère des efforts de serrage sur chacune des pièces. Ces efforts de serrage sont d’autant plus importants pour les pièces utilisées dans des turbomachines où la force de serrage correspondante équivaut à plusieurs centaines à milliers de Newton. De manière générale, ces efforts de serrage génèrent des contraintes qui se concentrent autour de l’orifice de passage du dispositif de serrage et au niveau de la surface d'appui de l'élément de serrage (vis, écrou, rondelle, …) contre la pièce non métallique. Le fait que ces contraintes ne soient pas réparties sur toute la pièce en matériau composite a pour conséquence un possible matage, des fissures voire une cassure de la pièce.Furthermore, the attachment of a composite material part to a metal part by a clamping device, such as a bolt or a screw-nut system, generates clamping forces on each of the parts. These clamping forces are all the more important for parts used in turbomachines where the corresponding clamping force is equivalent to several hundreds to thousands of Newtons. In general, these clamping forces generate stresses which are concentrated around the hole through which the clamping device passes and at the level of the bearing surface of the clamping element (screw, nut, washer, etc.) against the non-metallic part. The fact that these stresses are not distributed over the entire part made of composite material results in possible dulling, cracks or even breakage of the part.
Par ailleurs, les assemblages utilisés dans les turbomachines subissent des températures très élevées qui causent souvent une diminution des propriétés mécaniques des pièces qui les constituent. De plus, les pièces en métal et en matériau composite réagissent aux hautes températures différemment car leurs coefficients de dilatation thermique («Coefficient of Thermal expansion» ou CTE en anglais) sont différents. Ceci peut conduire, pour la pièce en matériau composite, à des contraintes supplémentaires autour de l’orifice de passage du dispositif de serrage mais également à travers son épaisseur, là où le CTE est le plus important.Moreover, the assemblies used in turbomachines are subjected to very high temperatures which often cause a reduction in the mechanical properties of the parts which constitute them. In addition, metal and composite material parts react to high temperatures differently because their coefficients of thermal expansion (“ Coefficient of Thermal expansion ” or CTE) are different. This can lead, for the part made of composite material, to additional stresses around the passage orifice of the clamping device but also through its thickness, where the CTE is the greatest.
Par conséquent, les efforts de serrage et la température de fonctionnement des assemblages dans les turbomachines d’aéronef conduisent plus ou moins rapidement à un endommagement voire une rupture des pièces en matériau composite intégrées.Consequently, the tightening forces and the operating temperature of the assemblies in aircraft turbomachines more or less quickly lead to damage or even rupture of the integrated composite material parts.
La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient en renforçant localement la pièce en matériau composite.The object of the present invention is to overcome this drawback by locally reinforcing the part made of composite material.
À cet effet, l'invention concerne un assemblage destiné à une turbomachine pour aéronef, comprenant :To this end, the invention relates to an assembly intended for a turbine engine for an aircraft, comprising:
- une première pièce mécanique réalisé en matériau composite et comportant un premier orifice de passage,a first mechanical part made of composite material and comprising a first passage orifice,
- au moins une deuxième pièce mécanique réalisé en métal et comprenant un deuxième orifice de passage,at least one second mechanical part made of metal and comprising a second passage orifice,
- un dispositif de serrage desdites pièces mécaniques, le dispositif de serrage comportant une vis traversant lesdits orifices de passage, eta device for clamping said mechanical parts, the clamping device comprising a screw passing through said passage orifices, and
- un élément de renfort monté dans ledit premier orifice de passage et agencé entre ladite vis et ladite première pièce mécanique, ledit élément de renfort comportant une structure tubulaire dont une première extrémité présente une surface externe tronconique configurée pour prendre appui sur une première portion d’un bord du premier orifice de passage.a reinforcing element mounted in said first passage orifice and arranged between said screw and said first mechanical part, said reinforcing element comprising a tubular structure, a first end of which has a frustoconical external surface configured to rest on a first portion of a edge of the first through hole.
Selon l’invention, ledit assemblage est caractérisé en ce que ladite surface externe tronconique est non lisse et comporte une rugosité ou une microstructure prédéterminéeAccording to the invention, said assembly is characterized in that said frustoconical outer surface is not smooth and has a roughness or a predetermined microstructure
La surface externe tronconique de l’élément de renfort est en appui sur le bord de la pièce en matériau composite. La rugosité ou la microstructure de cette surface d’appui est déterminée pour accentuer l’adhésion ou la cohésion de l’élément de renfort vis-à-vis de la pièce composite. Avantageusement, la surface externe est en appui sur de la résine de ce matériau composite, ce qui améliore cet effet d’adhésion ou de cohésion.The frustoconical external surface of the reinforcement element bears against the edge of the composite material part. The roughness or the microstructure of this support surface is determined to accentuate the adhesion or the cohesion of the reinforcement element vis-à-vis the composite part. Advantageously, the external surface bears against the resin of this composite material, which improves this effect of adhesion or cohesion.
La structuration de surface n’est de préférence pas une couche supplémentaire ou une couche rapportée et est donc de préférence intégrée dans ledit élément de renfort ou directement formée sur cet élément de renfort.The surface structuring is preferably not an additional layer or an added layer and is therefore preferably integrated into said reinforcing element or directly formed on this reinforcing element.
Cela peut-être une simple rugosité de surface, comme un moletage ou toute autre structuration. Cette texturation sert à augmenter le cohésif aux interfaces et au maintien de ce dernier dans la direction hors plan en l’absence du dispositif de serrage (tel qu’un système vis/écrou).This may be a simple surface roughness, such as knurling or any other structuring. This texturing serves to increase the cohesive at the interfaces and to maintain the latter in the out-of-plane direction in the absence of the tightening device (such as a screw/nut system).
Si la structuration de surface est trop importante, elle peut également provoquer l'effet inverse et dégrader l'interface/la tenue entre les différents éléments. La structuration est donc prédéterminée pour éviter cet effet.If the surface structuring is too great, it can also cause the opposite effect and degrade the interface/strength between the different elements. The structuring is therefore predetermined to avoid this effect.
Avantageusement, la structure tubulaire comprend à une seconde extrémité, opposée à la première extrémité, une collerette annulaire qui est configurée pour prendre appui axialement sur la première pièce mécanique, tout autour dudit premier orifice de passage.Advantageously, the tubular structure comprises at a second end, opposite the first end, an annular flange which is configured to bear axially on the first mechanical part, all around said first passage orifice.
Ainsi, grâce à l’invention, l’élément de renfort vient renforcer localement la pièce en matériau composite. Les contraintes dues aux efforts de serrage lors de la fixation des pièces de l’assemblage sont alors réparties dans l’ensemble de la pièce en matériau composite. Cette meilleure répartition des contraintes est obtenue conjointement par la forme tronconique d’une extrémité de l’élément de renfort qui augmente ainsi la surface de contact avec le dispositif de serrage et par la collerette annulaire de l’autre extrémité de l’élément de renfort. Par ailleurs, la forme des deux extrémités permet une meilleure tenue de l’élément de renfort contre la pièce en matériau composite sans recours à d’autres moyens.Thus, thanks to the invention, the reinforcing element locally reinforces the composite material part. The stresses due to the tightening forces when fixing the parts of the assembly are then distributed throughout the composite material part. This better distribution of the stresses is obtained jointly by the tapered shape of one end of the reinforcing element which thus increases the contact surface with the clamping device and by the annular collar of the other end of the reinforcing element. . Furthermore, the shape of the two ends allows the reinforcement element to hold better against the part made of composite material without resorting to other means.
L’assemblage peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison les unes avec les autres :
- la collerette annulaire est logée, et de préférence entièrement logée, dans un alésage de la première pièce mécanique,
- la structure tubulaire comprend une surface externe cylindrique configurée pour s’étendre en regard d’une seconde portion du bord du premier orifice de passage,
- ladite surface externe cylindrique est non lisse et comporte une rugosité ou une microstructure prédéterminée, tel que par exemple un moletage,The assembly may also have one or more of the following characteristics, taken alone or in combination with each other:
- the annular collar is housed, and preferably fully housed, in a bore of the first mechanical part,
- the tubular structure comprises a cylindrical outer surface configured to extend facing a second portion of the edge of the first passage orifice,
- said cylindrical outer surface is not smooth and has a roughness or a predetermined microstructure, such as for example knurling,
-- la ou chaque surface externe comporte un moletage,
- la surface externe tronconique s’étend sur une longueur au moins égale à la longueur le long de laquelle s’étend la surface externe cylindrique,
- la surface externe tronconique a un angle de cône compris entre 15 degrés et 90 degrés, et de préférence entre 15 et 60° degrés,
- la structure tubulaire présente une épaisseur radiale pouvant varier entre 1 millimètre et 5 millimètres, et de préférence entre 1 et 2 millimètres,
- les premières et seconde extrémités de la structure tubulaire ont des diamètres externes sensiblement identiques,
- la première extrémité de l’élément comporte une surface interne tronconique conformée pour recevoir une tête conique de ladite vis,-- the or each outer surface has knurling,
- the frustoconical outer surface extends over a length at least equal to the length along which the cylindrical outer surface extends,
- the tapered outer surface has a cone angle of between 15 degrees and 90 degrees, and preferably between 15 and 60 degrees,
- the tubular structure has a radial thickness which can vary between 1 millimeter and 5 millimeters, and preferably between 1 and 2 millimeters,
- the first and second ends of the tubular structure have substantially identical external diameters,
- the first end of the element comprises a frustoconical internal surface shaped to receive a conical head of said screw,
- ladite surface externe comporte une rugosité comprise entre 3 centièmes et 5 dixièmes de millimètre, en particulier pour une température comprise entre -40°C et 150°C ; dans la présente demande, la rugosité représente la distance entre les fonds les plus bas des creux sur la surface et les sommets les plus haut des bosses sur cette surface, et peut donc être assimilée à l’amplitude du relief de cette surface, une rugosité comprise entre 0,03mm et 0,5mm peut permettre d’assurer le maintien de l’élément de renfort à température ambiante même en l’absence du dispositif de serrage,
-- la tête conique de ladite vis s’étend sur une longueur au moins égale à la moitié de la longueur de surface interne tronconique dudit élément de renfort,
-- l’élément de renfort est réalisé en un matériau métallique tel que l’inox ou l’INCONEL®, ou tout autre matériau avec ou sans protection de surface (peinture, anodisation, galvanisation, chromage, etc.) pour éviter ou limiter les couples galvaniques avec ledit matériau composites, et
-- l’élément de renfort peut être surmoulé ou inséré contre la première pièce mécanique.- said outer surface has a roughness of between 3 hundredths and 5 tenths of a millimeter, in particular for a temperature of between -40° C. and 150° C.; in the present application, the roughness represents the distance between the lowest bottoms of the hollows on the surface and the highest peaks of the bumps on this surface, and can therefore be likened to the amplitude of the relief of this surface, a roughness between 0.03mm and 0.5mm can ensure that the reinforcement element is maintained at ambient temperature even in the absence of the clamping device,
-- the conical head of said screw extends over a length at least equal to half the length of the frustoconical internal surface of said reinforcing element,
-- the reinforcing element is made of a metallic material such as stainless steel or INCONEL®, or any other material with or without surface protection (painting, anodizing, galvanizing, chrome plating, etc.) to avoid or limit the galvanic couples with said composite material, and
-- the reinforcing element can be overmoulded or inserted against the first mechanical part.
L’invention concerne, en outre, une turbomachine comportant au moins un assemblage selon l’une des caractéristiques précédentes.The invention also relates to a turbomachine comprising at least one assembly according to one of the preceding characteristics.
Brève description des figuresBrief description of 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 :Other characteristics and advantages of the invention will appear during the reading of the detailed description which will follow for the understanding of which reference will be made to the appended drawings in which:
Claims (12)
- une première pièce (P1) mécanique réalisé en matériau composite et comportant un premier orifice de passage (2),
- au moins une deuxième pièce (P2) mécanique réalisé en métal et comprenant un deuxième orifice de passage (3),
- un dispositif de serrage (4) desdites pièces mécaniques (P1, P2), le dispositif de serrage (4) comportant une vis (5) traversant lesdits orifices de passage (2, 3), et
- un élément de renfort (7) monté dans ledit premier orifice de passage (2) et agencé entre ladite vis (5) et ladite première pièce (P1) mécanique, ledit élément de renfort (7) comportant une structure tubulaire (8) dont une première extrémité (10) présente une surface externe (10B) tronconique configurée pour prendre appui sur une première portion (2Aa) d’un bord (2A) du premier orifice de passage (2),
- a first mechanical part (P1) made of composite material and comprising a first passage orifice (2),
- at least one second mechanical part (P2) made of metal and comprising a second passage orifice (3),
- a device (4) for clamping said mechanical parts (P1, P2), the clamping device (4) comprising a screw (5) passing through said passage orifices (2, 3), and
- a reinforcing element (7) mounted in said first passage orifice (2) and arranged between said screw (5) and said first mechanical part (P1), said reinforcing element (7) comprising a tubular structure (8) of which one first end (10) has a frustoconical outer surface (10B) configured to rest on a first portion (2Aa) of an edge (2A) of the first passage orifice (2),
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2021
- 2021-09-24 FR FR2110070A patent/FR3127425A1/en active Pending
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