FR3129684A1 - Plateforme de roue aubagée pour turbomachine - Google Patents

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Antoine GALVE
Manon COMMARMOT
Richard MOUNIEN
Henri OUTTRABADY
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    • F01D11/008—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor by spacer elements between the blades, e.g. independent interblade platforms
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Plateforme pour roue aubagée, ainsi qu’une roue aubagée et une turbomachine comprenant de telles plateformes, cette plateforme (30) comprenantune paroi de veine (31), réalisée en matériau composite, possédant une surface externe (32), configurée pour être en contact avec une veine de fluide de travail de la turbomachine, et une surface interne (33), etau moins un raidisseur (41), s’étendant de manière transversale depuis la surface interne (33) de la paroi de veine (31),dans lequel ledit au moins un raidisseur (41) comprend un matériau stratifié comportant deux peaux (46) prenant en sandwich une âme (47) possédant une densité inférieure à la densité de chaque peau (46). Fig. 6

Description

Plateforme de roue aubagée pour turbomachine
Le présent exposé concerne une plateforme pour roue aubagée, légère et facile à réaliser. Le présent exposé concerne également une roue aubagée, une soufflante par exemple, et une turbomachine comprenant de telles plateformes.
De telles plateformes peuvent notamment être utilisées dans le domaine aéronautique, au sein de turboréacteurs d’avions ou de turbomoteurs d’hélicoptères pour ne citer que ces exemples.
Dans un turboréacteur d’avion, les plateformes des différentes roues aubagées, et notamment de la soufflante, doivent assurer de nombreuses fonctions.
A titre principal, elles doivent définir la veine d’écoulement de l’air en minimisant les perturbations aérodynamiques au niveau de leur roue aubagée ainsi qu’au niveau des autres étages aubagés situés en aval : en particulier, elles doivent définir des interfaces cohérentes aux frontières avec les autres étages.
Elles doivent en outre être légères tout en étant capables de résister à des efforts importants sans connaître de déformation importante et sans se détacher du disque qui les porte afin d’assurer la sécurité et la disponibilité du moteur pour un usage commercial.
Afin de satisfaire ces différentes exigences, plusieurs configurations ont été proposées pour ces plateformes. En particulier, afin de limiter la masse de ces plateformes, plusieurs configurations ont été proposées dans lesquelles la plateforme est réalisée en matériau composite à partir d’une préforme textile tissée 3D. Dans une de ces configurations, la préforme comprend, de manière monobloc, une paroi de veine et deux raidisseurs s’étendant transversalement depuis la surface interne de la paroi de veine grâce à deux déliaisons, l’ensemble prenant sensiblement la forme d’une lettre π.
Toutefois, une telle configuration rencontre plusieurs difficultés. Une première difficulté concerne la réalisation des découpes permettant le dégagement des pans issus des déliaisons. En effet, du fait de la géométrie globale de la plateforme, s’effilant en direction de l’extrémité amont, les découpes amont doivent être réalisées dans un espace restreint, ce qui rend difficile leur réalisation.
De plus, une deuxième difficulté concerne des anomalies de tissages qui apparaissent quasi-systématiquement au niveau de la partie aval du raidisseur en raison d’une double pliure imposée aux pans formant les raidisseurs, la première pliure permettant de rabattre le raidisseur vers l’intérieur et la deuxième pliure permettant de rattraper l’inclinaison de la plateforme au niveau de son interface avec le module aval. Cette double pliure engendre en effet un phénomène de flambage dans la structure tissée de la partie aval du raidisseur.
Il existe donc un réel besoin pour une plateforme, une roue aubagée et une turbomachine qui soient dépourvus, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux configurations connues précitées.
Le présent exposé concerne une plateforme de roue aubagée pour turbomachine, comprenant
une paroi de veine, réalisée en matériau composite, possédant une surface externe, configurée pour être en contact avec une veine de fluide de travail de la turbomachine, et une surface interne, et
au moins un raidisseur, s’étendant de manière transversale depuis la surface interne de la paroi de veine,
dans lequel ledit au moins un raidisseur comprend un matériau stratifié comportant deux peaux prenant en sandwich une âme possédant une densité inférieure à la densité de chaque peau.
Ainsi, dans une telle configuration, la paroi de veine et les raidisseurs sont fabriqués séparément, ce qui permet d’optimiser leurs géométries et leurs procédés de fabrication indépendamment les uns des autres. On évite en particulier l’apparition de défauts non souhaités à l’interface entre la paroi de veine et des raidisseurs. La fabrication de l’ensemble est également facilitée.
De plus, le choix d’un matériau stratifié pour les raidisseurs permet de conserver à la fois une grande légèreté et une bonne tenue mécanique. La plateforme obtenue est ainsi capable d’assurer l’ensemble de ses fonctions tout en conservant une masse maitrisée.
Dans certains modes de réalisation, la paroi de veine est réalisée à partir d’une préforme tissée 3D. La paroi de veine bénéficie ainsi de tous les avantages découlant du tissage 3D, en particulier un très bon comportement mécanique pour une masse très faible.
Dans certains modes de réalisation, la préforme de la paroi de veine est une nappe dépourvue de déliaison. Autrement dit, la nappe possède une topologie plane, c’est-à-dire sans embranchement. On évite ainsi l’apparition de contraintes et/ou d’anomalies de tissage au niveau de la déliaison.
Dans certains modes de réalisation, la préforme de la paroi de veine comprend un nombre de couches constant.
Dans certains modes de réalisation, la préforme de la paroi de veine comprend des fibres de carbone, de verre et/ou de kevlar.
Dans certains modes de réalisation, la préforme de la paroi de veine est noyée dans une matrice organique, de préférence une matrice époxy.
Dans certains modes de réalisation, la préforme de la paroi de veine est noyée dans une matrice céramique.
Dans certains modes de réalisation, la paroi de veine possède à son extrémité amont une portion d’assemblage amont configurée pour coopérer avec un organe d’assemblage amont de la turbomachine. Une telle portion d’assemblage amont offre un moyen pour retenir la plateforme et réduit le risque de discontinuité à l’interface entre la plateforme et le module amont. En particulier, une telle portion d’assemblage peut coopérer avec une bride de la virole amont. Cette portion d’assemblage peut notamment prendre la forme d’une languette, de préférence tissée dans la continuité de la paroi de veine.
Dans certains modes de réalisation ; l’organe d’assemblage amont est prévu radialement plus à l’intérieur que l’extrémité la plus interne dudit au moins un raidisseur.
Dans certains modes de réalisation, la paroi de veine possède à son extrémité aval une portion d’assemblage aval configurée pour coopérer avec un organe d’assemblage aval de la turbomachine. Une telle portion d’assemblage aval offre un moyen pour retenir la plateforme et réduit le risque de discontinuité à l’interface entre la plateforme et le module aval. En particulier, une telle portion d’assemblage peut coopérer avec une bride du tambour aval. Cette portion d’assemblage peut notamment prendre la forme d’une languette, de préférence tissée dans la continuité de la paroi de veine.
Dans certains modes de réalisation, une portion d’assemblage centrale, configurée pour coopérer avec un organe d’assemblage central de la turbomachine, s’étend depuis la surface interne de la paroi de veine. En particulier, une telle portion d’assemblage peut coopérer avec une languette s’étendant depuis le sommet de la dent du disque de la roue aubagée. Une telle portion d’assemblage est de préférence prévue dans le tiers central de la paroi de veine. Elle peut notamment être rapportée, par collage, rivetage ou boulonnage par exemple, sur la surface interne de la paroi de veine.
Dans certains modes de réalisation, la paroi de veine est inclinée vers l’extérieur en progressant vers l’aval. Cette inclinaison est de préférence supérieure à 10°, de préférence encore supérieure à 30°, par rapport à la direction axiale. Ceci permet de s’adapter à certaines géométries de veine, notamment dans le cas des soufflantes.
Dans certains modes de réalisation, la largeur de la paroi de veine augmente en progressant vers l’aval. Ceci permet de s’adapter à certaines géométries de veine, notamment dans le cas des soufflantes
Dans certains modes de réalisation, la roue aubagée est une soufflante.
Dans certains modes de réalisation, la plateforme est disjointe des aubes de la roue aubagée. Autrement dit, les aubes et les plateformes sont distinctes, les plateformes étant rapportées entre les aubes.
Dans certains modes de réalisation, la plateforme comprend deux raidisseurs s’étendant de manière transversale depuis la surface interne de la paroi de veine, les deux raidisseurs comprenant un matériau stratifié comportant deux peaux prenant en sandwich une âme possédant une densité inférieure à la densité de chaque peau. Toutes les caractéristiques décrites au sujet du premier raidisseur peuvent se transposer au deuxième raidisseur. De préférence, les premier et deuxième raidisseurs partagent les mêmes caractéristiques.
Dans certains modes de réalisation, les deux raidisseurs sont symétriques par rapport à un plan axial.
Dans certains modes de réalisation, au moins un raidisseur s’étend sensiblement dans la direction longitudinale de la plateforme. Par « sensiblement dans la direction longitudinale de la plateforme », on entend ici que le raidisseur s’étend dans une direction formant un angle inférieur à 30° avec la direction longitudinale de la plateforme.
Dans certains modes de réalisation, au moins un raidisseur longe un bord latéral de la paroi de veine.
Dans certains modes de réalisation, la longueur d’au moins un raidisseur est supérieure à 70%, de préférence supérieure à 80%, de préférence encore supérieure à 90%, de la longueur de la paroi de veine. Le raidisseur renforce ainsi la paroi de veine sur toute, ou pratiquement toute, sa longueur.
Dans certains modes de réalisation, la hauteur d’au moins un raidisseur est comprise entre 5 et 20%, de préférence 7 et 15%, de la longueur de la paroi de veine.
Dans certains modes de réalisation, l’épaisseur d’au moins un raidisseur est comprise entre 1 et 20 mm, de préférence entre 2 et 10 mm, de préférence encore entre 3 et 5 mm.
Dans certains modes de réalisation, l’extrémité amont d’au moins un raidisseur est effilée. Autrement dit, la hauteur du raidisseur diminue au niveau de l’extrémité amont. De préférence, l’extrémité aval d’au moins un raidisseur est également effilée.
Dans certains modes de réalisation, au moins une portion d’au moins un raidisseur est configurée pour reposer sur une dent du disque de la roue aubagée. La plateforme peut ainsi prendre appui sur le disque, ce qui renforce sa stabilité et sa tenue mécanique.
Dans certains modes de réalisation, au moins une peau, et de préférence les deux peaux, d’au moins un raidisseur est réalisée en métal, de préférence à base de titane ou d’aluminium.
Dans certains modes de réalisation, au moins une peau, et de préférence les deux peaux, d’au moins un raidisseur est réalisée en matériau composite à matrice organique, de préférence incluant des fibres de verre et/ou des fibres de carbone. Une telle configuration allie solidité et légèreté.
Dans certains modes de réalisation, l’épaisseur d’au moins une peau, et de préférence de chaque peau, d’au moins un raidisseur est comprise entre 1 et 8 mm, de préférence entre1 et 2 mm
Dans certains modes de réalisation, l’âme d’au moins un raidisseur possède un taux de vide supérieur à 30%, de préférence supérieur à 50%, de préférence encore supérieur à 90%. Le stratifié obtenu est ainsi particulièrement léger.
Dans certains modes de réalisation, l’âme d’au moins un raidisseur comprend une structure en nid d’abeille. Une telle structure en nid d’abeille offre de très bonnes qualités mécaniques pour une masse très faible. En particulier, l’âme peut être intégralement constituée par cette structure en nid d’abeille.
Dans certains modes de réalisation, la structure en nid d’abeille est réalisée en aramide.
Dans certains modes de réalisation, le diamètre des cellules de la structure en nid d’abeille est compris entre 3 et 20 mm.
Dans certains modes de réalisation, l’âme d’au moins un raidisseur comprend une mousse. En particulier, l’âme peut être intégralement constituée par cette mousse.
Dans certains modes de réalisation, la mousse est réalisée en polymère, par exemple en polyuréthane ou en polyéthylène téréphtalate (PET). Il peut également s’agir d’une mousse de la marque Rohacell Hero (marque déposée).
Dans certains modes de réalisation, l’épaisseur de l’âme d’au moins un raidisseur est comprise entre 1 et 4 mm, de préférence entre 1 et 2 mm.
Dans certains modes de réalisation, au moins un raidisseur comprend une bande supérieure s’étendant entre les deux peaux en recouvrant l’extrémité supérieure de l’âme. Une telle bande permet de renforcer la résistance de la structure du raidisseur. Une telle bande permet en outre d’augmenter la surface d’interface entre le raidisseur et la paroi de veine, ce qui renforce son accrochage.
Dans certains modes de réalisation, le matériau de la bande supérieure est identique à celui d’au moins une peau.
Dans certains modes de réalisation, au moins un raidisseur est rapporté sur la surface interne de la paroi de veine à l’aide d’une colle. De cette manière, on parvient à rapporter facilement le raidisseur, sans endommager la paroi de veine, en particulier lorsque celle-ci est tissée 3D.
Dans certains modes de réalisation, la surface d’encollage s’étend sur l’ensemble de la bande supérieure du raidisseur.
Dans certains modes de réalisation, la colle est une colle bi-composant, de préférence une colle polyuréthane (par exemple CPB001) ou époxy (par exemple CEB001).
Le présent exposé concerne également une roue aubagée pour turbomachine, comprenant
un disque, configuré pour être accouplé à un arbre de la turbomachine, dont la circonférence présente une succession de rainures et de dents,
une pluralité de pales montées dans des rainures du disque, et
au moins une plateforme selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, prévue entre deux pales en regard d’une dent du disque.
Le présent exposé concerne également une turbomachine, comprenant une roue aubagée selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.
Dans le présent exposé, les termes « longitudinal », « transversal » et leurs dérivés sont définis par rapport à la direction principale de la plateforme ; les termes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont quant à eux définis par rapport à l’axe principal de la turbomachine ; on entend par « plan axial » un plan passant par l’axe principal de la turbomachine et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe principal ; enfin, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation du fluide de travail dans la turbomachine.
Dans le présent exposé, on considère qu’une pièce ou une partie de pièce est réalisée à base d’un matériau donné lorsqu’elle est formée à au moins 50% par ce matériau ; on considère qu’une pièce ou une partie de pièce est réalisée essentiellement en un matériau donné lorsqu’elle est formée à au moins 80%, de préférence 90%, de préférence encore 99%, par ce matériau.
On entend par « tissage 3D », ou « tissage tridimensionnel », une technique de tissage dans laquelle des fils de trame circulent au sein d’une matrice de fils de chaîne de manière à former un réseau tridimensionnel de fils selon une armure tridimensionnelle : toutes les couches de fils d’une telle structure fibreuse sont alors tissées au cours d’une même étape de tissage au sein d’un métier à tisser tridimensionnel. En particulier, une armure « interlock » est une armure de tissage dans laquelle chaque couche de fils de trame lie plusieurs couches de fils de chaîne avec tous les fils d’une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l’armure.
Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation de la plateforme et de la roue aubagée proposées. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.
Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé.
Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence.
La est un plan schématique en coupe d’une turbomachine.
La est une vue en coupe d’un exemple de module de soufflante intégrant un exemple de plateforme.
La est une vue de face d’un disque de soufflante.
La est une vue en perspective de cet exemple de plateforme.
La est une vue de côté de cet exemple de plateforme.
La est un schéma illustrant la structure de cet exemple de plateforme.

Claims (11)

  1. Plateforme de roue aubagée pour turbomachine, comprenant
    une paroi de veine (31), réalisée en matériau composite, possédant une surface externe (32), configurée pour être en contact avec une veine de fluide de travail de la turbomachine, et une surface interne (33), et
    au moins un raidisseur (41), s’étendant de manière transversale depuis la surface interne (33) de la paroi de veine (31),
    dans lequel ledit au moins un raidisseur (41) comprend un matériau stratifié comportant deux peaux (46) prenant en sandwich une âme (47) possédant une densité inférieure à la densité de chaque peau (46).
  2. Plateforme selon la revendication 1, dans laquelle la paroi de veine (31) est réalisée à partir d’une préforme tissée 3D, la préforme de la paroi de veine (31) étant une nappe dépourvue de déliaison.
  3. Plateforme selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la paroi de veine (31) est inclinée vers l’extérieur en progressant vers l’aval, et
    dans laquelle la largeur de la paroi de veine (31) augmente en progressant vers l’aval.
  4. Plateforme selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant deux raidisseurs (41) s’étendant de manière transversale depuis la surface interne (33) de la paroi de veine (31), les deux raidisseurs (41) comprenant un matériau stratifié comportant deux peaux (46) prenant en sandwich une âme (47) possédant une densité inférieure à la densité de chaque peau (46).
  5. Plateforme selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la longueur d’au moins un raidisseur (41) est supérieure à 70%, de préférence supérieure à 80%, de préférence encore supérieure à 90%, de la longueur de la paroi de veine (31).
  6. Plateforme selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l’extrémité amont d’au moins un raidisseur (41) est effilée, et
    dans laquelle au moins une portion (42) d’au moins un raidisseur (41) est configurée pour reposer sur une dent (25) du disque (22) de la roue aubagée (2).
  7. Plateforme selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle au moins une peau (46) d’au moins un raidisseur (41) est réalisée en métal, de préférence à base de titane ou d’aluminium, ou en matériau composite à matrice organique, de préférence incluant des fibres de verre et/ou des fibres de carbone.
  8. Plateforme selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle l’âme (47) d’au moins un raidisseur (41) comprend une structure en nid d’abeille.
  9. Plateforme selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle au moins un raidisseur (41) est rapporté sur la surface interne (33) de la paroi de veine (31) à l’aide d’une colle.
  10. Roue aubagée pour turbomachine, comprenant
    un disque (22), configuré pour être accouplé à un arbre de la turbomachine, dont la circonférence présente une succession de rainures (24) et de dents (25),
    une pluralité de pales (26) montées dans des rainures (24) du disque (22), et
    au moins une plateforme (30) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, prévue entre deux pales (26) en regard d’une dent (25) du disque (22).
  11. Turbomachine, comprenant une roue aubagée (2) selon la revendication 10.
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