FR3132322A1 - Aube composite pour soufflante de turbomachine d'aéronef comportant des moyens de mesure des déformations internes - Google Patents
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Abstract
Cette aube (4) en matériau composite pour soufflante de turbomachine d'aéronef comporte des moyens (8) de mesure des déformations internes de l'aube et des moyens (9) de stockage et de transmission à distance de signaux de mesure de déformation de l'aube raccordés auxdits moyens de mesure, lesdits moyens de mesure et lesdits moyens de stockage et de transmission à distance étant localisés dans le matériau composite. Figure pour l’abrégé : Fig 2
Description
La présente invention concerne le domaine des turbomachines utilisées pour la propulsion d'un aéronef et, plus particulièrement, une aube pour soufflante de turbomachine d'aéronef.
De manière connue, une turbomachine est destinée à fournir la poussée nécessaire à la propulsion d'un aéronef. Elle comprend classiquement au moins un compresseur, une chambre de combustion et au moins une turbine pour entraîner en rotation le compresseur.
La turbomachine comporte, en amont, en considérant la direction d'un flux d'air admis en entrée de la turbomachine, une soufflante permettant d'accélérer le flux d'air de l'amont vers l'aval dans la turbomachine et comprenant des aubes s'étendant généralement dans un même plan transversal à l'axe de la turbomachine.
Les aubes sont généralement réalisées en matériau composite et constituent des pièces pour lesquelles il est nécessaire de réaliser périodiquement des opérations de contrôle par des opérateurs de maintenance au sol.
Ces opérations de contrôle peuvent être réalisées par des méthodes conventionnelles non destructives, tels que l'observation visuelle, par mesure acoustique, thermique ou par tomographie à rayons X. Toutefois, l'observation visuelle est limitée aux défauts détectables et situés à la surface de la pièce.
Ces méthodes conventionnelles ont l'inconvénient d'être longues à mettre en œuvre, pouvant notamment nécessiter plusieurs heures d'intervention pour une seule pièce. En outre, ces méthodes peuvent nécessiter de recourir à des appareils spécifiques et/ou sont difficiles à mettre en œuvre lorsque la pièce est montée sur le moteur.
Le but de l'invention et donc de pallier cet inconvénient et de proposer une aube pour soufflante de turbomachine d'aéronef, qui permette de connaître les contraintes mécaniques qui s'exercent sur l'aube durant le vol afin, si besoin, de réaliser les opérations de contrôle adéquates par les opérateurs de maintenance au sol.
L'invention a donc pour objet, selon un premier objet, une aube pour soufflante de turbomachine d'aéronef, ladite aube étant réalisée en matériau composite.
Cette aube comporte des moyens de mesure de déformations internes de l'aube et des moyens de stockage et de transmission à distance de signaux de mesure de déformations de l'aube raccordés auxdits moyens de mesure, lesdits moyens de mesure et lesdits moyens de stockage et de transmission à distance étant localisés dans le matériau composite.
Selon une autre caractéristique, les moyens de mesure sont configurés pour mesurer les déformations selon des axes de mesure prédéterminés.
Dans un mode de réalisation, les moyens de mesure comprennent des éléments piézoélectriques s'étendant selon des directions respectives prédéterminées.
Ainsi, grâce à l'utilisation des moyens de mesure de déformations internes de l'aube et des moyens de stockage et de transmission à distance des signaux de mesure de déformation, il est possible de connaître les contraintes mécaniques qui s'exercent sur l'aube au cours du vol, au cœur de l'aube, et ce, de manière non intrusive, c'est-à-dire sans impact sur les performances de la pièce et du moteur. En outre, l'aube étant réalisée en matériau composite, les moyens de mesure et les moyens de stockage et de transmission à distance peuvent être simplement intégrés dans l’aube, avoir une faible masse et être autonomes en énergie, tout en étant capables de résister aux sollicitations qui s'exercent sur l'aube en vol, ainsi qu'aux contraintes de production et de réparation.
Avantageusement, les moyens de mesure sont configurés pour alimenter lesdits moyens de stockage et de transmission à distance.
Avantageusement, les moyens de stockage et de transmission comportent un transpondeur de type RFID.
De préférence, les moyens de stockage et de transmission comprennent des moyens de traitement des signaux reçus issus des moyens de mesure, lesdits moyens de traitement étant configurés pour comparer les valeurs maximales de la tension des signaux de mesure avec des valeurs de seuil et pour déterminer si la valeur maximale de la tension des signaux de mesure est comprise dans un intervalle de niveaux de tension prédéterminés pendant une durée prédéfinie.
Avantageusement, les moyens de stockage et de transmission sont paramétrables à distance de manière à régler lesdits niveaux de tension prédéterminés.
Dans un mode de mise en œuvre, le matériau composite comprend des fibres tissées noyées dans une résine.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une aube en matériau composite pour soufflante de turbomachine d'aéronef, comprenant des étapes de tissage d'une préforme de fibres, injection d'une résine dans la préforme et de durcissement de la résine injectée dans la préforme.
Ce procédé comporte une étape d'insertion de moyens de mesure de déformations internes de l'aube et des moyens de stockage et de transmission à distance de signaux de mesure de déformations de l'aube raccordés auxdits moyens de mesure, lesdits moyens de mesure et lesdits moyens de stockage et de transmission à distance étant localisés dans le matériau composite.
Dans un mode de mise en œuvre, lesdits moyens de mesure et lesdits moyens de stockage et de transmission sont insérés sur la surface externe de la préforme, avant l'étape d'injection de la résine.
Lesdits moyens de mesure et lesdits moyens de stockage et de transmission peuvent également être insérés avant l'étape de durcissement, lors d'une phase de stratification.
L'invention a encore pour objet une turbomachine pour aéronef, comprenant une soufflante comprenant au moins une aube telle que définie ci-dessus.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
On se référera tout d'abord à la , qui illustre l'architecture générale d'une turbomachine dotée d'une soufflante pourvue d'une aube conforme à l'invention.
Tel que représentée, la turbomachine, désignée par la référence numérique générale 1, s'étant selon un axe de turbomachine X et permet de propulser un aéronef à partir d'un flux d'air entrant dans la turbomachine 1 et circulant d'amont en aval, les termes amont et aval étant définis par rapport à l'axe de turbomachine X, en considérant la direction du flux d’air dans la turbomachine.
De manière connue, la turbomachine 1 comprend un compresseur, une chambre de combustion et une turbine pour entraîner en rotation le compresseur. La turbomachine 1 comporte en amont une soufflante 2 qui permet d'accélérer le flux d'air de l'amont vers l'aval.
La soufflante 2 comprend un disque 3, solidaire en rotation d'un arbre du compresseur, comprenant des logements, répartis à la périphérie du disque 3, dans lesquels sont respectivement montées des aubes 4 par insertion axiale selon l'axe de turbomachine X, d'amont vers l'aval. Les aubes s’étendent dans un même plan transversal à l'axe de turbomachine X. Dans cet exemple, la turbomachine un comporte un cône 5 qui est monté en amont du disque 3. Par souci de clarté et de concision, une seule aube 4 va dorénavant être décrite. Toutefois, la description s’applique à l’ensemble des aubes de la turbomachine.
En se référant également à la , chaque aube 4 s'étend selon un axe radial R et comprend successivement un pied d'aube 6 configuré pour être monté axialement selon l'axe de turbomachine X dans un logement du disque 3 de la soufflante 2 et une pale 7 solidarisée au pied d'aube 6 et s’étendant radialement selon l'axe radial R, par rapport à l'axe de turbomachine X.
L’aube 4, et plus particulièrement la pale 7, est réalisée en matériau composite à partir d'une préforme de fibres, par injection d'une résine dans la préforme et durcissement de la résine injectée dans la préforme.
Elle incorpore des moyens 8 de mesure de déformations internes de l'aube et des moyens 9 de stockage et de transmission à distance des signaux de mesure délivrés par les moyens 8 de mesure.
Les moyens 8 de mesure des déformations internes de l'aube sont configurés pour déterminer les contraintes mécaniques qui s'exercent sur l'aube au cours du vol, tels que les déformations et la fréquence des excitations, selon des axes spécifiques.
Dans un mode de réalisation, ces moyens 8 de mesure comprennent des éléments piézoélectriques 10 et 11 disposés perpendiculairement l'un par rapport à l'autre.
Par exemple, un premier élément piézoélectrique 10 s’étend radialement, selon l'axe radial R de l'aube 4, tandis que l'autre élément piézoélectrique 11 s’étend perpendiculairement, c'est-à-dire selon l'axe de turbomachine X.
Dans l'exemple de réalisation illustré à la , l'aube comporte deux éléments piézoélectriques 10 et 11 disposés respectivement radialement et axialement. Bien entendu, on ne sort pas du cadre dans l'invention lorsque l'aube comporte des éléments piézoélectriques s'étendant selon d'autres directions ou comporte un nombre quelconque de tels éléments. Toutefois, de préférence, l'aube comporte des éléments piézoélectriques qui sont orientés chacun selon une direction principale des contraintes qui s'exercent sur la pale lors d'un vol.
On notera que l'épaisseur des éléments piézoélectriques ne doit pas être trop grande afin qu’ils puissent être insérés dans l'aube. On choisira de préférence des éléments piézoélectriques ayant une épaisseur comprise entre 0,05 mm et 2 mm.
Dans un mode de mise en œuvre, l'aube est réalisée selon un procédé de moulage par transfert de résine sous vide connu sous l’appellation de moulage VA-RTM, par injection de résine liquide dans un moule sur une préforme de fibres puis réticulation de la résine. Ainsi, le matériau constitutif de l'élément piézoélectrique est choisi de manière à pouvoir résister aux températures mises en œuvre lors du moulage VA-RTM, pouvant typiquement atteindre 250°C.
De même, lorsque l'aube est réalisée par transfert de résine sous vide à partir d'une résine RTM, le matériau des éléments piézoélectriques doit être compatible avec le matériau de la résine du composite RTM, idéalement de la même famille ou compatible avec cette matrice. Par exemple, si la matrice est une base époxy, on privilégiera une résine époxy ou compatible avec l'époxy.
On notera toutefois que l’aube composite peut également être fabriquée selon d’autres techniques, notamment par infusion de résine, thermocompression, cuisson en autoclave ou sous presse.
Par ailleurs, la fréquence de résonance des éléments piézoélectriques doit être définie sur une valeur différente et supérieure à celle de la fréquence de résonance de l'aube.
Enfin, les éléments piézoélectriques sont raccordés aux moyens 9 de stockage et de transmission à distance des signaux de mesure de déformation par liaison filaire, de sorte que les éléments piézoélectriques soient capables d'alimenter les moyens 9 de stockage et de transmission.
En ce qui concerne les moyens 9 de stockage et de transmission des signaux de mesure de déformation, ceux-ci comportent un transpondeur de type RFID 12 et 13, pour chaque élément piézoélectrique 10 et 11.
Chaque transpondeur 12 et 13 comporte une mémoire 14 pour le stockage des signaux de mesure issus d’un élément piézoélectrique 10 ou 11, un circuit de traitement de données 15 qui assure une mesure des signaux issus de l’élément piézoélectrique, notamment en déterminant la fréquence de la tension du signal de mesure issu de l’élément piézoélectrique, le pic de tension et la tension moyenne, et qui réalise des opérations logiques sur les données extraites des signaux de mesure.
Par ailleurs, chaque transpondeur 12 et 13 comporte une antenne 16 associée à un circuit de communication 17 pour communiquer à distance avec des dispositifs externes, par exemple un lecteur accessible par des opérateurs de maintenance, ainsi qu'un circuit 18 de gestion de l'alimentation fournie par les éléments piézoélectriques.
On notera que l'antenne 16 est conçue de manière à fonctionner dans le matériau non conducteur spécifique de la zone où elle est localisée. L'épaisseur de chaque transpondeur RFID doit également être limitée afin de pouvoir être inséré dans l'aube. Elle est avantageusement comprise entre 0,05 mm et 2 mm.
Le circuit de communication 17 intègre de préférence une fonction RFID de type UHF, c'est-à-dire dans une gamme de fréquence comprise entre 860 MHz et 960 MHz. Une telle fonction RFID UHF permet de communiquer avec un lecteur externe suivant des protocoles standards en vigueur. Par exemple, la mémoire 14 comprend une capacité comprise entre 512 octets et 62000 octets.
De préférence, le module de gestion d'alimentation 18 assure une gestion d'alimentation par induction radio.
On va maintenant décrire en référence aux figures 4 et 5 un exemple de mise en œuvre d'un procédé de fabrication d'une aube selon l'invention, intégrant des moyens de mesure de déformations internes et des moyens de stockage et de transmission à distance des signaux de mesure.
Tel qu'indiqué précédemment, une telle aube est réalisée en matériau composite à partir d'une préforme de fibres tissées, par exemple à partir de torons multi-filaments en carbone.
En se référant tout d'abord à la , les éléments piézoélectriques sont intégrés dans l'aube au cours de sa fabrication, ce qui assure un parfait maintien des moyens de mesure. Ils peuvent être placés dans le cœur du matériau composite ou en surface.
Les éléments piézoélectriques sont à cet égard positionnés selon l'axe dont on souhaite suivre la déformation. Comme visible sur la , les éléments piézoélectriques sont intégrés lors du tissage tridimensionnel de la préforme (composite 3D). En variante, tel qu'illustré sur la , les éléments piézoélectriques peuvent être intégrés entre deux plis 19 et 20 d'un composite stratifié (composite 2D).
Dans le cas de l'insertion des éléments piézoélectriques lors du tissage tridimensionnel de la préforme, une zone de déliage doit être prévue afin de faciliter le positionnement ultérieur des éléments nécessaires au stockage et à la transmission à distance des informations.
Ainsi, lors de l'étape suivante, la préforme tissée est ouverte à l'endroit de la zone de déliage. Les moyens de stockage et de transmissions sont alors positionnés et le raccordement de ces moyens aux moyens de mesure de déformation est réalisé.
Ces éléments sont ensuite protégés en utilisant du carbone par l'intermédiaire de deux plis de fibre sèche de verre afin d'isoler les circuits de communication des fibres de carbone et d'augmenter ainsi la distance de détection des signaux.
En ce qui concerne les aubes réalisées par composite stratifié ( ), le positionnement des circuits de communication est facilité puisqu'il peut être réalisé lors de la formation des plis de composite. Toutefois, il est également nécessaire d'introduire localement une protection avec un tissu sec de verre pour isoler les circuits de communication des fibres de carbone.
A l’issue de cette étape, une résine est injectée puis une étape de durcissement par traitement thermique est mise en œuvre. Il peut s'agir, par exemple, d'une infusion, d'une cuisson en autoclave ou presse.
Comme indiqué précédemment, le circuit de traitement de données 15 assure d'une part la mesure des signaux issus des éléments piézoélectriques et, d’autre part, le traitement des données reçues.
En fonctionnement, si l’aube subit une déformation, ou un cycle de déformation, le ou les éléments piézoélectriques concernés génèrent une tension qui est fournie aux moyens 9 de stockage et de transmission. Cette tension est représentative de la déformation subie par l’aube.
La valeur maximale de la tension des signaux de mesure représente l'amplitude de la déformation mécanique de l'aube. La fréquence de la tension représente la fréquence d'excitation mécanique et la tension moyenne correspond au niveau moyen de déformation. La valeur maximale de la tension, la valeur moyenne de la tension pendant une durée prédéterminée et la fréquence d'excitation sont stockées dans la mémoire 14.
Le traitement et le stockage des informations dans la mémoire s'effectuent, par exemple, selon le protocole suivant.
Si la tension maximale U est comprise entre deux valeurs de seuil minimal et maximalmetnpendant une duréetcomprise entre deux valeurs minimales et maximalest1ett2, la valeur maximale, la valeur moyenne pendant cette duréet, la fréquence d'excitation ainsi que l’instant de l'événement sont mémorisés.
Si la valeur maximale U de la tension est comprise entre les deux valeurs de seuilmetnpendant une duréetsupérieure à la durée maximalet2, la valeur maximale de la tension, la valeur moyenne de la tension pendant cette duréet, la fréquence d'excitation pendant ce tempstainsi que l’instant de l'événement sont stockés dans la mémoire 14. En outre, le transpondeur concerné envoie l'information par l'intermédiaire de son antenne RFID pour informer qu'un événement pour lequel un pic de tension compris entre la valeur minimalemet maximalenpendant une durée supérieure à la valeur maximale de seuilt2est actuellement en cours.
Enfin, si la tension maximale est supérieure à la valeur de seuil maximaln, la valeur maximale de la tension, la valeur moyenne de la tension pendant la durée de l'événement et la fréquence d'excitation pendant la durée de l'événement sont mémorisées. Le transpondeur concerné envoie à distance l'information par l'intermédiaire de son antenne RFID pour indiquer qu'un événement pour lequel la valeur maximale U de la tension de mesure est supérieure à la valeur maximale de seuil est actuellement en cours.
On notera que les valeurs de seuil de tension ainsi que les valeurs de seuil de durée sont paramétrables à distance, le lecteur externe pouvant modifier les valeurs de ces valeurs de seuil.
Claims (13)
- Aube pour soufflante de turbomachine d'aéronef, ladite aube étant réalisée en matériau composite, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (8) de mesure des déformations internes de l'aube et des moyens (9) de stockage et de transmission à distance de signaux de mesure de déformation de l'aube raccordés auxdits moyens de mesure, lesdits moyens de mesure et lesdits moyens de stockage et de transmission à distance étant localisés dans le matériau composite.
- Aube selon la revendication 1, dans laquelle les moyens (8) de mesure sont configurés pour mesurer les déformations selon des axes de mesure prédéterminés.
- Aube selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle les moyens (8) de mesure comprennent des éléments piézoélectriques (10, 11) s'étendant selon des directions respectives prédéterminées.
- Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les moyens (8) de mesure sont configurés pour alimenter lesdits moyens (9) de stockage et de transmission à distance.
- Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les moyens de stockage et de transmission comportent un transpondeur (12, 13) de type RFID.
- Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les moyens (9) de stockage et de transmission comprennent des moyens de traitement (15) des signaux reçus issus des moyens de mesure, lesdits moyens de traitement étant configurés pour comparer les valeurs maximales de la tension des signaux de mesure avec des valeurs de seuil et pour déterminer si la valeur maximale de la tension des signaux de mesure est comprise dans un intervalle de niveaux de tension prédéterminés pendant une durée prédéfinie.
- Aube selon la revendication 6, dans laquelle les moyens de stockage et de transmission sont paramétrables à distance de manière à régler lesdits niveaux de tension prédéterminés.
- Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le matériau composite comprend des fibres tissées noyées dans une résine.
- Procédé de fabrication d'une aube en matériau composite pour soufflante de turbomachine d’aéronef, comprenant des étapes de tissage d'une préforme de fibres, injection d'une résine dans la préforme et de durcissement de la résine injectée dans la préforme, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'insertion de moyens (8) de mesure de déformations internes de l'aube et des moyens (9) de stockage et de transmission à distance de signaux de mesure de déformation de l'aube raccordés auxdits moyens de mesure, lesdits moyens de mesure et lesdits moyens de stockage et de transmission à distance étant localisés dans le matériau composite.
- Procédé selon la revendication 9, dans lequel lesdits moyens de mesure et lesdits moyens de stockage et de transmission sont insérés sur la surface externe de la préforme avant l'étape d'injection de la résine.
- Procédé selon la revendication 9, dans lequel lesdits moyens de mesure et lesdits moyens de stockage et de transmission sont insérés avant l'étape de durcissement lors d'une phase de stratification.
- Turbomachine pour aéronef, caractérisée en ce qu'elle comporte une soufflante comprenant au moins une aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
- Aéronef comprenant une turbomachine selon la revendication 12.
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| FR3004748A1 (fr) * | 2013-04-19 | 2014-10-24 | Snecma | Aube ou pale de moteur d'aeronef et procede et systeme de controle de defauts dans des composites par des particules ayant des proprietes ferromagnetiques |
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-
2023
- 2023-01-31 WO PCT/FR2023/050123 patent/WO2023148448A1/fr unknown
Patent Citations (4)
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