FR3128895A1 - Procédé de fabrication d’un dispositif de protection métallique du bord d’attaque d’une aube intégrant un système de dégivrage et dispositif de protection obtenu par ce procédé - Google Patents

Procédé de fabrication d’un dispositif de protection métallique du bord d’attaque d’une aube intégrant un système de dégivrage et dispositif de protection obtenu par ce procédé Download PDF

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Abstract

Procédé de fabrication d’un dispositif de protection métallique d u bord d’attaque d’une aube intégrant un système de dégivrage et dispositif de protection obtenu par ce procédé L’invention concerne un procédé (300) de fabrication d’un dispositif de protection métallique (120) d’un bord d’attaque (130) d’une aube en matériau composite pour turboréacteur, comportant les opérations de : a) mise en forme (310) d’une tôle intrados (122) et d’une tôle extrados (121) et usinage (320) d’au moins une rainure adaptée pour recevoir un élément résistif (210),b) réalisation (330) d'un noyau (123) ayant une forme identique à la forme du bord d’attaque de l’aube,c) positionnement (340) du noyau (123) entre les tôles intrados (122) et extrados (121) et positionnement (350) de l’élément résistif (210) dans la rainure,d) mise sous vide (360) et fermeture de l'ensemble par soudage, e) assemblage (370) de l'ensemble par compression isostatique à chaud, f) découpe (380) de l'ensemble et extraction du noyau, g) usinage final (390) pour obtenir un dispositif de protection avec un profil prédéfini. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 4

Description

Procédé de fabrication d’un dispositif de protection métallique du bord d’attaque d’une aube intégrant un système de dégivrage et dispositif de protection obtenu par ce procédé
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif de protection métallique du bord d’attaque d’une aube de compresseur en matériau composite d’une machine aéronautique, ce dispositif de protection intégrant un système de dégivrage. L’invention concerne également un dispositif de protection métallique obtenu par ce procédé.
L’invention trouve des applications dans le domaine de la protection des pièces tournantes de machines aéronautiques. Elle trouve en particulier des applications dans le domaine de la protection contre le givre des aubes de compresseur de turboréacteurs.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
En aéronautique, les machines tournantes ne cessent d’évoluer pour devenir de plus en plus performantes. Le turboréacteur à double flux (ou « turbofan » en termes anglo-saxons) fait partie de ces évolutions. Dans un tel turboréacteur à double flux, la poussée est obtenue par l’éjection à la fois des gaz chauds et d’un flux d’air froid. En effet, l'air entrant à l’avant du turboréacteur se divise en deux parties qui suivent deux parcours distincts avant de se rejoindre à la sortie : le flux primaire qui pénètre au cœur du moteur où il est chauffé avant d’être éjecté et le flux secondaire qui est dérivé en périphérie du cœur du moteur. Un turboréacteur à double flux se caractérise donc par son taux de dilution, c'est-à-dire le rapport de la masse du flux secondaire sur le flux primaire.
Sous l’impulsion des évolutions des normes environnementales, de nouvelles architectures de moteurs d’avions sont envisagées. Toutes ces nouvelles architectures proposent une augmentation importante du taux de dilution, ce qui conduit à des dimensions de la soufflante, ou module fan, très importantes. Ces nouvelles architectures comprennent alors un réducteur qui permet de limiter les vitesses de rotation de la soufflante afin de conserver des vitesses acceptables au sommet des aubes de soufflante (de l’ordre de Mach 1). Ces soufflantes dites « lentes » du fait de la faible vitesse de rotation des aubes de soufflante et de l’immobilité des aubes directrices de sortie, ou OGV pour « Outlet Guide Vane » en termes anglo-saxons, sont sujettes à une accrétion de glace sur lesdites aubes de soufflantes et les OGV. Cette accrétion, ou accumulation, de glace engendre plusieurs inconvénients dont :
  • un balourd provoqué par la masse de la glace sur les aubages de la soufflante,
  • une dégradation des performances aérodynamiques de la soufflante et de l’OGV par altération des surfaces aérodynamiques, et/ou
  • des endommagements (sur l’aval du moteur ou sur l’avion) provoqués par le lâcher du projectile de glace.
En conséquence, pour éviter l’accrétion de glace, les nouvelles architectures de moteur cherchent à protéger les aubes de soufflante et les OGV du moteur contre l’accumulation du givre.
Actuellement, deux types de protection contre le givrage des pièces de turboréacteurs sont connues :
  • la protection par antigivrage qui permet d’éviter toute accrétion de glace sur les pièces. Ce type de protection contre le givre utilise des revêtements dits « glaciophobes » dont le niveau de maturité est encore faible à ce jour ; et
  • la protection par dégivrage qui permet de limiter la masse de glace accrétée sur les pièces de sorte que ladite masse de glace se détache en faible quantité par la force centrifuge lors de la rotation du moteur.
Les techniques de protection par dégivrage, matures à ce jour, sont de deux natures. L’une de ces techniques consiste en un apport d’air chaud prélevé plus en aval dans le moteur et réinjecté via des canaux dans les pièces à dégivrer. Non seulement cette technique est complexe à mettre en œuvre mais en plus elle a un impact direct sur le rendement du moteur car une partie du flux chaud est détournée pour le dégivrage et ne se retrouve plus sous forme de poussée au niveau du flux primaire. L’autre de ces techniques consiste à utiliser un chauffage électrothermique, de type tapis chauffant, dont un exemple est représenté sur les figures 1A et 1B. Ce tapis chauffant 40 peut être positionné soit à l’extérieur de l’aube de soufflante10 ou de l’OGV, comme représenté sur la , soit entre la partie en matériau composite 30 de l’aube de soufflante ou de l’OGV et un dispositif de protection métallique 20 du bord d’attaque de ladite aube ou dudit OGV, comme représenté sur la .
Il est rappelé que, pour des raisons de masse et de coûts, les aubes de soufflante et les OGV 10 des turboréacteurs sont souvent réalisés majoritairement en matériau composite. Cependant, ces aubes de soufflantes et OGV – généralisés par la suite sous le terme d’« aubes » - sont soumis à d'importantes contraintes mécaniques dues à leur vitesse de rotation et à la charge aérodynamique qu'elles supportent. Ces aubes doivent aussi résister aux éventuels impacts de particules ou de corps étrangers qui pénétreraient dans la veine d'air de la machine. Il est donc nécessaire de protéger au moins en partie ces aubes en matériau composite. Généralement, la protection est localisée à l’endroit du bord d'attaque de l’aube en matériau composite 30. Pour cela, ce bord d’attaque est recouvert d’une pièce métallique, appelée dispositif de protection 20, qui enveloppe l’extrémité de ladite aube. Un exemple d’un tel dispositif de protection métallique 20 est représenté sur la , en éclaté, avec le bord d’attaque 30 de l’aube en matériau composite. Lorsque le dispositif de protection métallique 20 est monté autour du bord d’attaque 30 de l’aube en matériau composite, ledit bord d’attaque est protégé de la plupart des contraintes mécaniques et impacts par ledit dispositif de protection 20.
Dans la technique de dégivrage par chauffage électrothermique, lorsque ledit chauffage électrothermique est positionné à l’extérieur de l’aube 10, c'est-à-dire que le tapis chauffant 40 recouvre la surface extérieure de l’aube 10, la tenue à l’érosion de l’aube est assurée par un film élastomère anti-abrasion. Dans cette configuration, la protection contre le givre a une première conséquence néfaste sur la performance aérodynamique et aéro-acoustique de l’aube du fait notamment de l’augmentation de l’épaisseur de son bord d’attaque et une seconde conséquence néfaste sur la tolérance de forme du bord d’attaque après pose du tapis chauffant (calage, biaisage, etc.). Lorsque le tapis chauffant 40 est positionné entre l’aube en matériau composite 30 et le dispositif de protection métallique 20, le tapis chauffant 40 doit être fin et installé profondément dans le dispositif de protection 20. L’installation du tapis chauffant 40 est donc délicate et difficile à mettre en œuvre. Il n’est, en outre, pas possible de dégivrer totalement le nez 15 de l’aube 10, c'est-à-dire la pointe du dispositif de protection 20, qui ne peut pas être recouvert pour cause d’encombrement.
Il existe donc un réel besoin d’un dispositif de protection contre le givre qui soit efficace et facile à mettre en œuvre au sein d’une aube de soufflante ou d’un OGV.
Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus d’efficacité et de facilité de mise en œuvre d’un chauffage électrothermique, la demanderesse propose un dispositif de protection métallique du bord d’attaque d’une aube en matériau composite, intégrant un chauffage électrothermique sous la forme d’un élément résistif. La demanderesse propose en outre un procédé de fabrication de ce dispositif de protection.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif de protection métallique d’un bord d’attaque d’une aube en matériau composite pour turboréacteur, comportant les opérations de :
  • a) mise en forme, par matriçage, d’une tôle intrados et d’une tôle extrados,
  • b) réalisation d'un noyau ayant une forme identique à la forme du bord d’attaque de l’aube,
  • c) positionnement du noyau entre les tôles intrados et extrados,
  • d) mise sous vide et fermeture de l'ensemble par soudage,
  • e) assemblage de l'ensemble par compression isostatique à chaud,
  • f) découpe de l'ensemble et extraction du noyau,
  • g) usinage final pour obtenir un dispositif de protection avec un profil prédéfini,
Ce procédé de fabrication se caractérise par le fait que, d’une part, l’opération a) comporte un usinage, sur une face interne d’au moins une des tôles intrados et extrados, d’au moins une rainure adaptée pour recevoir un élément résistif et, d’autre part, l’opération c) comporte le positionnement d’un élément résistif dans la rainure.
Ce procédé présente l’avantage d’être relativement simple à mettre en œuvre puisqu’il utilise partiellement un procédé de fabrication déjà mis en œuvre pour la fabrication des dispositifs de protection métalliques des aubes ou OGV en matériau composite. Il présente en outre l’avantage d’assurer une bonne répartition de la chaleur le long du bord d’attaque de l’aube.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé de fabrication selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
  • l’opération a) comporte l’usinage d’un réseau de rainures comportant un nombre pair de rainures.
  • la rainure est usinée dans une zone de soudage de la tôle intrados ou extrados, sur au moins une partie de la largeur du dispositif de protection.
  • l’élément résistif est un câble chauffant comportant au moins un fil thermiquement conducteur en métal, logé dans une gaine isolante.
  • le fil thermiquement conducteur est dans un alliage nickel-chrome.
  • la gaine isolante est réalisée dans un matériau sensiblement inerte, ayant un point de fusion supérieur à 1050°C et aucun changement de phase dans un intervalle compris entre 20°C et 1050°C et ayant une dilatation thermique proche d’un matériau dans lequel sont formées les tôles intrados et extrados.
  • la gaine isolante est réalisée au moins partiellement dans un matériau résistant à la corrosion.
  • le matériau résistant à la corrosion est un alliage de titane ou de l’inox.
  • le câble chauffant comporte une couche d’oxyde de magnésium placée entre le fil thermiquement conducteur et la gaine isolante.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un dispositif de protection métallique d’un bord d’attaque d’une aube en matériau composite pour turboréacteur, caractérisé en ce qu’il comporte :
  • une tôle extrados et une tôle intrados assemblées l’une avec l’autre et formant une cavité interne adaptée pour envelopper le bord d’attaque de l’aube, et
  • un élément résistif intégré dans une face interne de l’une au moins des tôles intrados et extrados.
Ce dispositif de protection présente l’avantage d’intégrer le système de dégivrage au sein du dispositif de sorte que la source de chaleur de ce système est interne. Cela évite les risques de pertes de chaleur qui se produisent généralement lorsque les systèmes sont rapportés. Le fait que le système de dégivrage soit interne au dispositif de protection permet également de conserver intact l’aérodynamisme de la pièce.
Avantageusement, le dispositif de protection est obtenu par le procédé tel que défini précédemment.
Avantageusement, l’élément résistif est logé dans une zone de contact entre la tôle intrados et la tôle extrados, dans une pointe dudit dispositif de protection.
Avantageusement, le dispositif de protection comporte une ou plusieurs des caractéristiques citées précédemment pour le procédé, comme le fait que l’élément résistif est logé dans une rainure usinée dans la zone de soudage de la tôle intrados ou extrados, que l’élément résistif est un câble chauffant comportant au moins un fil thermiquement conducteur en métal, logé dans une gaine isolante, que le fil thermiquement conducteur est dans un alliage nickel-chrome, que la gaine isolante est réalisée au moins partiellement dans un matériau résistant à la corrosion, que le matériau résistant à la corrosion est un alliage de titane ou de l’inox, que le câble chauffant comporte une couche d’oxyde de magnésium placée entre le fil thermiquement conducteur et la gaine isolante et/ou que la gaine isolante est réalisée dans un matériau sensiblement inerte, ayant un point de fusion supérieur à 1050°C et aucun changement de phase dans un intervalle compris entre 20°C et 1050°C et ayant une dilatation thermique proche d’un matériau dans lequel sont formées les tôles intrados et extrados.
Selon un troisième aspect, l’invention concerne une aube de turboréacteur, comportant un bord d’attaque en matériau composite et un dispositif de protection métallique enveloppant ledit bord d’attaque, caractérisée en ce que le dispositif de protection comporte une pointe dans laquelle est logée un élément résistif, ledit élément résistif s’étendant le long du bord d’attaque en matériau composite.
Selon un quatrième aspect, l’invention concerne un turboréacteur, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité d’aubes telles que définies ci-dessus.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles :
La et la , déjà décrites, représentent des vues en coupe de deux modes d’installation d’un tapis chauffant dans une aube de turboréacteur, selon l’état de la technique ;
La , déjà décrite, représente une vue en coupe transversale d’un dispositif de protection métallique pour une aube en matériau composite selon l’état de la technique ;
La représente une vue schématique en coupe d’un dispositif de protection métallique selon l’invention ;
La représente, sous la forme d’un diagramme fonctionnel, les différentes opérations du procédé de fabrication du dispositif de protection métallique selon l’invention ;
La représente schématiquement des vues en perspective des différentes pièces utilisées dans la fabrication du dispositif de protection métallique de la ; et
La représente une vue schématique en coupe de l’assemblage compacté obtenu au cours du procédé de la avec les pièces de la .

Claims (13)

  1. Procédé (300) de fabrication d’un dispositif de protection métallique (120) d’un bord d’attaque (130) d’une aube en matériau composite pour turboréacteur, comportant les opérations de :
    1. mise en forme (310), par matriçage, d’une tôle intrados (122) et d’une tôle extrados (121),
    2. réalisation (330) d'un noyau (123) ayant une forme identique à la forme du bord d’attaque de l’aube,
    3. positionnement (340) du noyau (123) entre les tôles intrados (122) et extrados (121),
    4. mise sous vide (360) et fermeture de l'ensemble par soudage,
    5. assemblage (370) de l'ensemble par compression isostatique à chaud,
    6. découpe (380) de l'ensemble et extraction du noyau,
    7. usinage final (390) pour obtenir un dispositif de protection avec un profil prédéfini,
    caractérisé en ce que :
    • d’une part, l’opération a) comporte un usinage (320), sur une face interne d’au moins une des tôles intrados (122) et extrados (121), d’au moins une rainure adaptée pour recevoir un élément résistif (210), et
    • d’autre part, l’opération c) comporte le positionnement (350) de l’élément résistif (210) dans la rainure.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’opération a) comporte l’usinage d’un réseau de rainures comportant un nombre pair de rainures.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la rainure est usinée dans une zone de soudage (122a) de la tôle intrados ou extrados, sur au moins une partie de la largeur (l) du dispositif de protection (120).
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’élément résistif (210) est un câble chauffant comportant au moins un fil thermiquement conducteur en métal, logé dans une gaine isolante.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le fil thermiquement conducteur est dans un alliage nickel-chrome.
  6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la gaine isolante est réalisée dans un matériau sensiblement inerte, ayant un point de fusion supérieur à 1050°C et aucun changement de phase dans un intervalle compris entre 20°C et 1050°C et ayant une dilatation thermique proche d’un matériau dans lequel sont formées les tôles intrados et extrados.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la gaine isolante est réalisée au moins partiellement dans un matériau résistant à la corrosion.
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau résistant à la corrosion est un alliage de titane ou de l’inox.
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le câble chauffant comporte une couche d’oxyde de magnésium placée entre le fil thermiquement conducteur et la gaine isolante.
  10. Dispositif de protection métallique (120) d’un bord d’attaque (130) d’une aube en matériau composite pour turboréacteur, caractérisé en ce qu’il est obtenu par le procédé (300) selon l’une quelconque des revendications précédentes et en ce qu’il comporte :
    • une tôle extrados (121) et une tôle intrados (122) assemblées l’une avec l’autre et formant une cavité interne (128) adaptée pour envelopper le bord d’attaque (130) de l’aube, et
    • un élément résistif (210) intégré dans une face interne de l’une au moins des tôles intrados et extrados.
  11. Dispositif de protection selon la revendication 10, caractérisé en ce que l’élément résistif (210) est logé dans une zone de contact entre la tôle intrados (122) et la tôle extrados (121), dans une pointe (129) dudit dispositif de protection.
  12. Aube (100) de turboréacteur, comportant un bord d’attaque (130) en matériau composite et un dispositif de protection métallique (120) enveloppant ledit bord d’attaque, caractérisée en ce que le dispositif de protection (120) est conforme à l’une quelconque des revendications 10 à 11 et en ce qu’il comporte une pointe (129) dans laquelle est logée un élément résistif (210), ledit élément résistif s’étendant le long du bord d’attaque en matériau composite.
  13. Turboréacteur, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité d’aubes (100) selon la revendication 12.
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