FR3132079A1 - Longeron pour une aube de turbomoteur d’aéronef à structure composite - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un longeron pour une aube (A) de turbomoteur d’aéronef à structure composite, comportant une partie pied (1) pour la fixation de l’aube (A) et une partie pale (2), caractérisé en ce que la partie pale (2) comporte plusieurs zones d’accrochage (3, 4), réparties le long du profil radial du longeron et conformées pour permettre la reprise par la partie pale des efforts centrifuge et de cisaillement entre le longeron et la structure composite de l’aube (A). Elle concerne aussi une aube de turbomoteur d’aéronef comportant un tel longeron Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention concerne les longerons d’aubes en matériau composite pour turbomoteur d’aéronef. Elle concerne également de telles aubes, ainsi que des modules de soufflante ou des hélices les comportant.
En particulier, l’invention trouve avantageusement application pour des aubes de grandes dimensions (typiquement et sans que cela ne soit limitatif, pour des envergures radiales supérieures à 1 m), et notamment pour des aubes de soufflante de turboréacteur ou encore pour des aubes d’hélice non carénée (turbomoteur de type « Open Rotor », par exemple).
Les aubes en matériau composite de turbomoteur d’aéronef comprennent classiquement un longeron, métallique ou composite, qui comprend :
- une partie qui est au niveau du pied d'aube et qui s'étend à l'extérieur de la structure composite de l’aube, et
- une partie pale disposée à l'intérieur de la structure composite.
Typiquement, lors de la fabrication, la partie pale du longeron est insérée dans une préforme issue d’un tissage en trois dimensions, ou dans un assemblage de plusieurs peaux composites.
Dans le cas des aubes à longeron métallique notamment, le profil radial de la partie pale du longeron (c’est à dire dans le sens de l’envergure de l’aube) est continu, sans décrochement ou aspérité, l’épaisseur du longeron pouvant décroître de l’extrémité du pied vers une extrémité opposée du longeron.
Un tel longeron ne reprend les efforts (centrifuge, flexion) des peaux composites qu’à l’interface peaux/longeron, donc en cisaillement dans la résine. Or celle-ci a des propriétés mécaniques faibles.
Une problématique similaire se pose également pour les longerons composites.
Un but général de l’invention est de proposer une solution permettant d’améliorer substantiellement les propriétés mécaniques des aubes en matériau composite à longeron pour turbomoteur d’aéronef.
A cet effet, l’invention propose un longeron pour une aube de turbomoteur d’aéronef à structure composite, comportant une partie pied pour la fixation de l’aube et une partie pale, caractérisé en ce que la partie pale comporte plusieurs zones d’accrochage, réparties le long du profil radial du longeron et conformées pour permettre la reprise par la partie pale des efforts centrifuge et de cisaillement entre le longeron et la structure composite de l’aube.
Avec un tel profil de longeron, les transferts d’efforts entre les peaux composites et le longeron sont améliorés.
En particulier, le profil du longeron permet par sa forme de reprendre les efforts centrifuges appliqués aux peaux composites, ainsi que les efforts aérodynamiques intenses créant des vibrations (reprise des efforts de flexion).
Les efforts sont donc transmis par l’intermédiaire des fibres et de la résine et plus seulement par la résine seule.
Le longeron proposé est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :
- les zones d’accrochage sont réparties de part et d’autre du longeron, côté intrados et côté extrados ;
- les zones d’accrochage sont réparties et conformées symétriquement de chaque côté dudit longeron ;
- au moins une zone d’accrochage présente un profil en sifflet, avec au moins un biseau et un décrochement ;
- au moins une zone d’accrochage présente un profil V, avec au moins un biseau et un décrochement ;
- le longeron se termine à son extrémité opposée à la partie pied par une forme en sifflet, dont l’épaisseur diminue lorsque le profil est considéré dans un sens allant de la partie pied vers la partie opposée du longeron.
L’invention propose en outre une aube de turbomoteur d’aéronef comportant un longeron (métallique ou composite) et une structure composite à profil aérodynamique rapportée sur celui-ci, caractérisée en ce que le longeron est du type précité et en ce que la structure composite est conformée pour coopérer avec les zones d’accrochage du longeron, la liaison ainsi assurée entre la structure composite et le longeron permettant au longeron de reprendre les efforts centrifuges et de cisaillement subis par la structure composite.
L’invention concerne en outre un module de soufflante ou une hélice de turbomoteur d’aéronef caractérisé en ce qu’elle comporte un moyeu et une ou plusieurs aubes de ce type montées sur celui-ci.
Elle concerne également un turbomoteur, ainsi qu’un aéronef.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :
- la
- la
- la
Description d’un ou plusieurs modes de mise en œuvre et de réalisation
Le longeron L illustré sur la est avantageusement un longeron métallique. Il est peut également être un longeron composite constitué en tout ou partie d'un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel et densifié par une matrice.
Ce longeron L comporte :
- une partie pied 1, qui est au niveau du pied d'aube et qui est destinée, une fois la structure composite en place, à se trouver à l'extérieur de celle-ci, et
- une partie pale 2 destinée quant à elle à être disposée à l'intérieur de la structure composite.
La partie pied 1 est destinée à permettre la fixation de l’aube sur une pièce d’attache. Son profil radial présente une épaisseur qui augmente lorsqu'on parcourt ledit profil en s'éloignant de la partie de pale 2. Elle a par exemple une forme de bulbe.
La partie de pied 1 se prolonge sans discontinuité par la partie pale 2 du longeron L.
La partie pale 2 comporte quant à elle un profil radial avec plusieurs zones d’accroche 3, réparties selon la longueur radiale du longeron.
Ces zones 3 sont telles que l’épaisseur du longeron y est réduite, avec une conformation de ces zones 3 qui permet la reprise des efforts centrifuge et de cisaillement entre le longeron et la structure composite de l’aube.
Dans l’exemple illustré sur la , deux zones d’accrochage 3 d’épaisseur réduite sont prévues.
Bien entendu, un nombre plus important de zones d’accrochage 3 pourraient être envisagées.
Toujours dans cet exemple, les zones d’accrochage 3 sont conformées de part et d’autre du longeron L, coté intrados et extrados.
Notamment, elles sont réparties et conformées symétriquement côté intrados et côté extrados dudit longeron L.
Dans l’exemple illustré, ces zones d’accrochage 3 sont des zones de plus petites épaisseurs avec des décrochements 3a.
Notamment, ces zones d’accrochage 3 ont, dans le sens du profil radial du longeron, une géométrie définie par deux biseaux 3b se rejoignant en un point de plus petite épaisseur, formant ainsi ensemble un V.
A leurs extrémités de part et d’autre dudit V, ces zones d’accrochage 3 sont rattachées au reste du profil radial par des décrochements 3a.
Les zones d’accrochage 3 sont ainsi configurées en sifflet dans cet exemple.
Bien entendu, toute autre géométrie permettant une fonction d’accrochage et la reprise des efforts centrifuges et de cisaillement subis par la structure composite de l’aube, pourrait également convenir (entailles transversales par exemple).
A son extrémité la plus éloignée de la partie pied 1, la partie pale du longeron peut se terminer par deux biseaux 4b reliés au reste de la pale par des décrochements 4a. Ces deux biseaux 4b et leurs décrochements 4a sont symétriques entre le côté intrados et le côté l’extrados. Ils définissent ainsi ensemble à leur extrémité une zone d’accrochage d’extrémité 4.
Le longeron L se termine ainsi à cette extrémité par une forme en sifflet, dont l’épaisseur diminue lorsque le profil est considéré dans un sens allant de la partie pied 1 vers la partie opposée du longeron.
Typiquement, dans l’exemple donné, l’épaisseur d’un décrochement 3a, 4a est de 1 ou 2 mm, avec une hauteur entre les extrémités du V et le point où les deux biseaux formant celui-ci se rejoignent, de l’ordre de 5 mm.
Sur le reste du longeron L, la partie pale 2 a une épaisseur constante, par exemple de l’ordre de quelques dizaines de mm.
Le profil radial du longeron et les zones d’accrochage 3 et 4 de celui-ci peuvent être réalisés par usinage.
L’aube A comprend un longeron L du type de celui qui vient d’être décrit, ainsi qu’une structure composite SC à profil aérodynamique.
Typiquement, le longeron s’étend sur une distance comprise entre 30% et 70% de l’envergure à partir du pied de pale. L’envergure de la pale s’entend ici comme la distance séparant le pied de pale au niveau du bord d’attaque de la pale et la tête de la pale au niveau du bord d’attaque.
Différentes techniques peuvent être envisagées pour réaliser cette structure composite SC.
Selon une première technique possible, il est formé une ou plusieurs couches de peau composite autour du longeron, par empilement sur celui-ci de plis ou nappes unidirectionnels pré-imprégnés (drapage). L’ensemble est ensuite placé dans un moule en orientant différemment les plis successifs, avant compactage et polymérisation à l'autoclave.
Selon une autre technique, la structure composite est obtenue à partir d’une préforme, elle-même fabriquée par tissage tridimensionnel d'une ébauche fibreuse et densification pour former une matrice organique. Un exemple de fabrication de structure composite selon cette deuxième technique est par exemple détaillé dans la demande WO2012/001279. L'ébauche fibreuse est obtenue au moyen d'un métier à tisser de type jacquard sur lequel on a disposé un faisceau de fils de chaînes ou torons en une pluralité de couches de plusieurs centaines de fils chacune, les fils de chaînes étant liés par des fils de trame. Les fils sont par exemple des fils de carbone ou des fils de céramique tel que du carbure de silicium. La densification de la préforme fibreuse peut être réalisée selon toute technique connue, par exemple par moulage par transfert de résine (moulage dit RTM ("Resin Transfert Moulding").
Lors du tissage, une déliaison est réalisée à l'intérieur de l'ébauche fibreuse entre des couches successives de fils de chaîne, pour l'introduction du longeron L. Cette déliaison est organisée pour être compatible avec le profil radial en sifflet des zones d’accrochage 3, 4 du longeron.
Comme l’illustre les flèches de la , la liaison entre la structure composite SC et le longeron L permet audit longeron L de reprendre les efforts centrifuges (flèche CE) subis par la structure composite de l’aube, ainsi que les efforts de cisaillement (flèche CIS) d’un côté et de l’autre de l’aube (coté intrados et extrados), et les efforts aérodynamiques intenses créés par des vibrations (reprise des efforts de flexion).
Notamment, grâce au profil du longeron, les efforts appliqués à la structure composite sont donc transmis au longeron par l’intermédiaire des fibres et de la résine, et plus seulement par la résine seule.
Le moteur 10 représenté sur la est un moteur de type « Open Rotor », en configuration couramment qualifiée de « pusher » (i.e. la soufflante non-carénée est placée à l'arrière du générateur de puissance avec une entrée d'air située sur le côté, à droite sur la figure).
Le moteur comprend une nacelle 20 destinée à être fixée à un fuselage d'un aéronef, et une soufflante 30 non-carénée. La soufflante 30 comprend deux rotors de soufflante contrarotatifs 40 et 50. Lorsque le moteur 10 est en fonctionnement, les rotors 40 et 50 sont entrainés en rotation par rapport à la nacelle 20 autour d'un même axe de rotation X (qui coïncide avec un axe principal du moteur), en sens opposés.
Chaque rotor de soufflante 40, 50 comprend un moyeu 60 monté rotatif par rapport à la nacelle 20 et une pluralité d'aubes A fixées au moyeu 60. Les aubes A sont des aubes à longeron métallique ou composite du type de celles décrites en référence à la . Elles s'étendent sensiblement radialement par rapport à l'axe de rotation X du moyeu.
Dans l'exemple illustré sur la , le moteur 10 est un moteur de type « Open Rotor » en configuration « pusher » à rotors de soufflante contrarotatifs. Cependant, l'invention n'est pas limitée à cette configuration. L'invention s'applique également à des moteurs de type « Open Rotor » en configuration « puller » (i.e. la soufflante est placée en amont du générateur de puissance avec une entrée d'air située avant, entre ou juste derrière les deux rotors de soufflante).
En outre, l'invention s'applique également à des moteurs présentant des architectures différentes, telles qu'une architecture comprenant un rotor de soufflante comprenant des aubes mobiles et un stator de soufflante comprenant des aubes fixes, ou bien un unique rotor de soufflante.
L'invention est également applicable à des architectures de type turbopropulseur (comprenant un unique rotor de soufflante).
Claims (10)
- Longeron pour une aube (A) de turbomoteur d’aéronef à structure composite, comportant une partie pied (1) pour la fixation de l’aube (A) et une partie pale (2), caractérisé en ce que la partie pale (2) comporte plusieurs zones d’accrochage (3, 4), réparties le long du profil radial du longeron et conformées pour permettre la reprise par la partie pale des efforts centrifuge et de cisaillement entre le longeron et la structure composite de l’aube (A).
- Longeron selon la revendication 1, dans lequel les zones d’accrochage (3, 4) sont réparties de part et d’autre du longeron, coté intrados et côté extrados.
- Longeron selon la revendication 2, dans lequel les zones d’accrochage (3, 4) sont réparties et conformées symétriquement de chaque côté dudit longeron.
- Longeron selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins une zone d’accrochage (3, 4) présente un ou des profils en sifflet, avec au moins un biseau (3b, 4b) et un décrochement (3a, 4a).
- Longeron selon la revendication 4, dans lequel au moins une zone d’accrochage (3) présente un profil V, avec au moins un biseau (3b) et un décrochement (3a).
- Longeron selon la revendication 4, dans lequel le longeron (L) se termine à son extrémité opposée à la partie pied par une forme (4) en sifflet, dont l’épaisseur diminue lorsque le profil est considéré dans un sens allant de la partie pied vers la partie opposée du longeron.
- Aube de turbomoteur d’aéronef comportant un longeron (L) et une structure composite (SC) à profil aérodynamique rapportée sur celui-ci, caractérisée en ce que le longeron est du type selon l’une des revendications précédentes, et en ce que la structure composite est conformée pour coopérer avec les zones d’accrochage (3) du longeron, la liaison ainsi assurée entre la structure composite et le longeron permettant au longeron de reprendre les efforts centrifuges et de cisaillement subis par la structure composite.
- Module de soufflante ou hélice de turbomoteur d’aéronef caractérisé en ce qu’elle comporte un moyeu et une ou plusieurs aubes (A) selon la revendication 7 montées sur celui-ci.
- Turbomoteur d’aéronef, caractérisé en ce qu’il comporte un module de soufflante ou une hélice selon la revendication 8.
- Aéronef comportant au moins un turbomoteur selon la revendication 9.
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