FR3132916A1 - Préforme fibreuse d’une pièce de soufflante de turbomachine aéronautique instrumentée par au moins une fibre optique - Google Patents

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Abstract

Préforme fibreuse d’une pièce de soufflante de turbomachine aéronautique instrumentée par au moins une fibre optique La présente invention concerne une préforme fibreuse (10) d’une pièce de soufflante de turbomachine aéronautique comprenant au moins une texture obtenue par tissage tridimensionnel d’une pluralité de torons, la préforme étant caractérisée en ce que lesdits torons tissés comprennent un ou plusieurs torons instrumentés (1 ; 1a) utiles pour le suivi d’un paramètre physique et comprenant une fibre optique formant élément de détection qui est retordue avec un ou plusieurs fils de renfort (3). Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Préforme fibreuse d’une pièce de soufflante de turbomachine aéronautique instrumentée par au moins une fibre optique
L’invention concerne une solution pour permettre le contrôle d’une pièce de soufflante de turbomachine aéronautique ou d’une préforme de cette pièce mettant en œuvre une ou plusieurs fibres optiques intégrées au tissu formant le renfort fibreux.
Le contrôle de santé des structures (« Structural Health Monitoring » ; « SHM ») a pour objectif de maintenir et de prolonger la durée de vie des pièces structurelles, de détecter et prédire leurs défaillances. Les techniques actuelles mettent typiquement en œuvre une instrumentation en surface de la pièce une fois sa fabrication achevée et leur précision et simplicité de mise en œuvre peut être améliorée.
Il demeure néanmoins souhaitable de disposer, pour des pièces de soufflante de turbomachine aéronautique, d’une instrumentation fiable et précise ne perturbant pas la réalisation de la pièce afin de mesurer en fonctionnement ou sur banc d’essai différentes grandeurs physiques comme la déformation, la température ou l’accélération subie, ainsi que de suivre la qualité des étapes de fabrication. Une telle instrumentation permettrait, lors d’un évènement imprévu, de pouvoir statuer précisément sur l’état de santé de la pièce et d’agir en conséquence, par exemple d’éviter de changer la pièce à cause d’un diagnostic imprécis (gain de coût et de temps) et d’éviter une éventuelle faille de sécurité à cause d’une anomalie non détectée.
L’invention concerne une préforme fibreuse d’une pièce de soufflante de turbomachine aéronautique, comprenant au moins une texture obtenue par tissage tridimensionnel d’une pluralité de torons,
la préforme étant caractérisée en ce que lesdits torons tissés comprennent un ou plusieurs torons instrumentés utiles pour le suivi d’un paramètre physique et comprenant une fibre optique formant élément de détection qui est retordue avec un ou plusieurs fils de renfort.
La préforme est instrumentée directement lors de l’opération de tissage avec un impact minimal sur les propriétés textiles du fait du faible diamètre de la fibre optique par rapport au diamètre du toron. La tenue mécanique de la pièce n’est ainsi pas altérée du fait de l’instrumentation. L’invention permet de contrôler de manière fiable l’état de santé de la pièce lors de sa période de service ou lors d’un essai sur banc ou encore de contrôler sa fabrication, notamment l’introduction du matériau de matrice dans la préforme. L’intégration du ou des torons instrumentés lors du tissage permet d’obtenir une instrumentation à cœur de la préforme qui ne risque pas d’être endommagée par les opérations de montage, démontage ou de maintenance.
Dans un exemple de réalisation, la fibre optique comprend un cœur présentant au moins un filtre optique à réseau de Bragg.
L’emploi d’un filtre optique à réseau de Bragg permet de donner un état particulièrement précis de la santé matière de la pièce ou de la préforme.
Dans un exemple de réalisation, les torons tissés comprennent au moins un ensemble de torons instrumentés s’étendant chacun le long d’une première direction du tissage et espacés le long d’une deuxième direction du tissage transversale à la première direction, ledit ensemble comprenant successivement le long de la deuxième direction un premier, un deuxième et un troisième torons instrumentés, une fibre optique du deuxième toron instrumenté étant reliée à une fibre optique du premier toron instrumenté par une première connexion optique et à une fibre optique du troisième toron instrumenté par une deuxième connexion optique décalée de la première connexion optique le long de la première direction.
Le fait de connecter les fibres optiques entre elles permet de réduire le nombre d’interrogateurs nécessaires pour procéder au contrôle et, par conséquent, de simplifier la mise en œuvre.
En particulier, les première et deuxième connexions optiques peuvent être réalisées par fusion locale.
Une telle solution présente l’avantage d’être relativement simple de mise en œuvre sans conduire à un encombrement augmenté du fait de la réalisation des connexions.
Dans un exemple de réalisation, les fils de renfort sont en carbone ou en verre.
Dans un exemple de réalisation, la préforme est une préforme de carter de soufflante de turbomachine aéronautique.
En variante, la préforme est une préforme d’aube de soufflante de turbomachine aéronautique.
L’invention concerne également une pièce de soufflante de turbomachine aéronautique en matériau composite, comprenant une préforme fibreuse telle que décrite plus haut densifiée par une matrice organique.
En particulier, la pièce peut en outre être munie sur une surface d’au moins une fibre optique additionnelle formant élément de détection utile pour le suivi du paramètre physique. Ainsi si cela est souhaité, on peut en outre instrumenter la surface de la pièce en matériau composite par une ou plusieurs fibres optiques additionnelles afin d’améliorer la détection. La ou les fibres additionnelles peuvent être collées à la surface, par exemple avec une colle époxy. Cette instrumentation de surface peut en particulier s’appliquer à un carter de soufflante.
L’invention concerne également un procédé de suivi d’un paramètre physique dans une préforme fibreuse telle que décrite plus haut ou dans une pièce telle que décrite plus haut, comprenant au moins la détection d’une éventuelle modification du signal optique conduit par la fibre optique à l’aide d’une unité de contrôle, et la détermination d’une information relative au paramètre physique à partir de la détection réalisée.
En particulier, le paramètre physique peut être choisi parmi l’un au moins de : la déformation de la pièce en matériau composite, l’application de contraintes mécaniques dans cette pièce, la température imposée à cette pièce ou à la préforme, l’accélération subie par cette pièce, la progression d’un matériau de matrice dans la porosité de cette préforme.
La représente, de manière schématique, une préforme de carter de soufflante instrumentée selon un exemple de l’invention.
La représente un détail de la préforme de la .
La représente, de manière schématique, un exemple de toron instrumenté utilisable dans le cadre de l’invention.
La représente, de manière schématique, un exemple de fibre optique utilisable dans le toron instrumenté de la .
La représente la texture à plat destinée à former la préforme de la montrant les connexions entre fibres optiques adjacentes.
Les figures 6A-6C sont des graphiques intensité-longueur d’onde relatifs respectivement à une onde incidente en entrée de la fibre optique d’un toron instrumenté utilisable dans le cadre de l’invention, à l’onde transmise en sortie de cette fibre optique et à l’onde réfléchie en entrée de cette fibre optique.
Les figures 7A-7B illustrent, de manière schématique, le décalage de la longueur d’onde de l’onde réfléchie en entrée d’une fibre optique d’un toron instrumenté utilisable dans le cadre de l’invention suite à des déformations de cette fibre.
La représente, de manière schématique et partielle, une aube de soufflante instrumentée selon un autre exemple de l’invention.
La représente une préforme 10 d’un carter de soufflante d’une turbomachine aéronautique. Le carter permet notamment de garantir la rétention en cas d’ingestion de débris ou de perte d’une aube ou d’un fragment d’aube. Le carter envisagé ici est en matériau composite et est fabriqué par tissage tridimensionnel d’une texture fibreuse laquelle est ensuite mise en forme par enroulement sur un outillage afin d’obtenir la préforme 10 après plusieurs tours d’enroulement. La préforme 10 peut être intégralement formée par cette texture tissée 3D mais l’on peut, en variante, adjoindre à celle-ci un ou plusieurs tissus bidimensionnels et/ou une ou plusieurs couches fibreuses unidirectionnelles. Ces techniques de tissage et d’enroulement sont connues en soi. La présente invention se distingue de l’état de la technique par la mise en œuvre d’un ou plusieurs torons instrumentés lors du tissage pour obtenir une instrumentation directement dans la texture fibreuse.
L’exemple de préforme 10 de la comprend une pluralité de torons 1 de chaîne instrumentés tissés avec une pluralité de torons 1a de trame également instrumentés. La direction chaîne CH correspond ici à une direction circonférentielle DC de la préforme 1 et la direction trame TR à une direction axiale DA de celle-ci. On a représenté une répartition sensiblement régulière des torons 1a de trame le long de la direction chaîne CH, avec un écart angulaire sensiblement constant entre des torons 1a adjacents le long de cette direction CH. On ne sort néanmoins pas du cadre de l’invention si cette répartition est irrégulière, le positionnement des torons instrumentés étant fonction de la pièce considérée et du paramètre physique à suivre. De manière similaire, la répartition des torons 1 peut être sensiblement régulière le long de la direction trame TR, ou non régulière. Un ou plusieurs torons instrumentés 1a de trame, respectivement 1 de chaîne, peuvent lier une ou plusieurs couches de chaîne, respectivement de trame. Lors du tissage, la fibre optique 5 est intégrée dans la préforme 10 au fur et à mesure que le toron 1, 1a auquel elle appartient est tissé. Le ou les torons 1, 1a peuvent être présents au cœur de la préforme 10.
La illustre un exemple de toron 1 de chaîne instrumenté étant entendu que cette structure s’applique également aux torons 1a de trame. Le toron 1 a été obtenu en retordant ensemble des fils de renfort 3 et une fibre optique 5. Bien entendu, le nombre de fils de renfort 3 et de fibre(s) 5 employées par toron peut varier et n’est pas limité au cas illustré. Le retordage aboutit à un assemblage en hélice du ou des fil(s) de renfort 3 et du ou des fibre(s) 5 pour former le toron 1 lequel est destiné au tissage tridimensionnel de la texture de renfort de la pièce. Le(s) fil(s) 3 peuvent servir de support à ou aux fibre(s) 5 dans le toron 1. La ou les fibre(s) 5 peuvent avoir un diamètre inférieur au diamètre du ou des fil(s) 3. Comme indiqué plus haut le matériau des fils 3 est choisi en fonction de l’application envisagée, ces fils 3 pouvant être en carbone ou en verre. L’opération de retordage (« twisting » dans la littérature anglo-saxonne) est une opération connue en soi pour la fabrication d’un toron à partir d’une pluralité de fils. D’une manière générale, le(s) fil(s) 3 et le ou les fibre(s) optique(s) 5 peuvent présenter une torsion inférieure ou égale à 20 tours/mètre, par exemple comprise entre 2 tours/mètre et 20 tours/mètre, dans le toron 1. Le toron 1 ainsi obtenu peut ensuite être enroulé autour d’une bobine en attente du tissage. La illustre un exemple possible de structure pour la fibre optique 5 du toron instrumenté. La fibre optique 5 illustrée comprend un cœur 50 permettant la transmission d’un signal optique entouré par une gaine 54 qui participe au confinement du signal optique dans le cœur 50. La gaine 54 et le cœur 50 sont entourés par un revêtement protecteur 56, par exemple en matériau polymérique. Dans l’exemple illustré, le cœur 50 comprend au moins un filtre optique 52 à réseau de Bragg (« Fiber Bragg Grating » dans la littérature anglosaxonne), ou plusieurs de ces filtres positionnés les uns à la suite des autres le long du cœur 50. Le filtre optique 52 à réseau de Bragg correspond à une structure connue en soi dans laquelle il y a une variation périodique de l’indice de réfraction avec un paspqui permet de refléter une longueur d’onde précise, comme cela sera évoqué à nouveau dans la suite.
Dans l’exemple illustré, la préforme 10 est formée à partir d’un mélange de torons instrumentés 1 et 1a avec des torons distincts, dépourvus de fibre optique 5. La représente un détail de la préforme 10 en vue en coupe dans un plan transversal à la direction circonférentielle DC. La préforme 10 comprend une pluralité de couches 16 enroulées qui définissent des brides latérales 12 (une seule étant représentée sur la ) et une portion 14 centrale de rétention entre les brides 12. Dans l’exemple illustré, il y a présence de torons instrumentés 1 et 1a dans les portions 12 et 14. En particulier, chaque couche 16 enroulée comprend une pluralité de torons instrumentés 1 et 1a. Selon un exemple, on peut avoir dans la préforme un ensemble torons de chaîne 1 instrumentés toutes les cinq colonnes de fils en direction trame TR et un ensemble de torons de trame 1a instrumentés tous les 10° avec un toron 1a par couche enroulée 16. Les fibres optiques 5 des torons de trame 1a peuvent s’étendre sur toute la dimension axiale de la préforme 10. Les fibres optiques 5 des torons de chaîne peuvent s’étendre sur tout le périmètre de la préforme 10, en faisant éventuellement plusieurs tours.
On vient de décrire une structure d’instrumentation possible pour une préforme 10 de pièce de soufflante. Chaque fibre optique peut être reliée à une unité de contrôle afin de pouvoir suivre un ou plusieurs paramètres physiques d’intérêt. Néanmoins dans une optique de simplification, il est souhaitable de pouvoir relier plusieurs fibres optiques 5 à une même unité de contrôle. La qui va être décrite dans la suite illustre une solution pour réaliser cela.
On a représenté à la la texture 13 en sortie de métier à tisser et avant enroulement pour former la préforme 10. La connexion est illustrée à la pour les fibres optiques 5a-5c des torons de trame étant entendu qu’une connexion similaire peut être effectuée sur les torons chaînes. On a représenté la connexion entre trois fibres optiques 5a-5c successives le long d’une direction du tissage, étant entendu que ce motif de connexion peut être répété pour les autres fibres optiques le long de cette direction. La fibre optique 5b est située entre les fibres optiques 5a et 5c le long de la direction chaîne CH. Chaque fibre optique 5a-5c présente une première extrémité 5a1, 5b1, 5c1 située du côté d’un premier bord B1 de la texture et une deuxième extrémité 5a2, 5b2, 5c2 opposée située du côté d’un deuxième bord B2 de la texture. Dans l’exemple illustré, la première extrémité 5b1 de la fibre optique 5b est reliée par la connexion C à la première extrémité 5a1 de la fibre optique 5a, et la deuxième extrémité 5b2 de la fibre optique 5b est reliée par la connexion C à la deuxième extrémité 5c2 de la fibre optique 5c. On obtient ainsi une connexion en forme de « S » entre les fibres optiques 5a-5c successives. Les connexions C sont ainsi décalées le long de la direction trame TR. Les connexions C sont avantageusement réalisées par fusion locale des fibres optiques 5a-5c à l’aide d’une fibre optique de jonction. Pour réaliser les connexions, les fibres optiques 5a-5c ainsi que les fibres optiques C de jonction peuvent être dénudées à leur extrémité (élimination locale de leur gaine) puis leurs cœurs peuvent être fusionnés, par exemple par application d’un courant électrique.
Après enroulement, le carter est obtenu par introduction d’une résine dans la porosité de la préforme 10, par exemple une résine époxyde, suivie d’un traitement thermique de réticulation de celle-ci. Cette technique est connue en soi, on peut typiquement mettre en œuvre une technique de moulage par transfert de résine (« Resin Transfer Molding » ; « RTM »).
L’unité de contrôle est reliée aux fibres optiques et peut comprendre une source de lumière, comme un laser, permettant d’envoyer de la lumière dans les fibres optiques ainsi qu’un analyseur permettant d’analyser le signal optique réfléchi, et notamment de déterminer sa longueur d’onde pour la comparer à la longueur d’onde de référence filtrée par la fibre optique. On peut disposer l’unité de contrôle dans la soufflante de la turbomachine, ou en variante la connecter uniquement pour réaliser le contrôle et le déconnecter une fois le contrôle terminé. L’unité de contrôle peut comprendre un dispositif de stockage de données permettant de stocker une information relative au signal optique traversant les fibres optiques pour analyse en continu ou ultérieure.
Les figures 6A à 6C montrent l’effet du filtre optique 52 à réseau de Bragg sur une onde lumineuse incidente ayant une répartition de l’intensité lumineuse IE en fonction de la longueur d’onde en entrée de fibre optique telle qu’illustrée en 6A. 6B montre l’intensité lumineuse transmise IT en fonction de la longueur d’onde au travers du filtre optique 52 et 6C montre l’intensité lumineuse réfléchie IR par le filtre optique 52. Le filtre optique 52 permet de refléter la lumière à la longueur d’onde λBdonc de filtrer cette longueur d’onde avec une certaine précision comme illustré en 6C (longueur d’onde de référence filtrée par la fibre optique). La longueur d’onde réfléchie par le filtre optique 52 est donnée par la formule ci-dessous et est fournie par le fabricant de la fibre optique :
dans cette formule n l’indice de réfraction effectif et p le pas du filtre.
Une traction ou une compression de la fibre optique aboutit à un changement du paspdu filtre et, par conséquent, de la longueur d'onde réfléchie. On a une relation linéaire entre la variation de longueur d’onde et la variation de la longueur du filtre 52 (soit la déformation) comme indiqué dans la formule ci-dessous. L’analyse de la variation de λBpermet d’en déduire la déformation.
L0désignant la longueur du filtre 52 permettant la filtration de la longueur d’onde λBet le facteur k correspondant au facteur de fibre fourni par le fabricant de la fibre. Comme représenté en 7A, l’application d’une contrainte de traction sur la fibre aboutit à un décalage vers les longueurs d’onde supérieures de la longueur d’onde réfléchie. L’application d’une contrainte de compression aboutit à l’inverse à une diminution de la longueur d’onde réfléchie (7B). On peut réfracter le reste de la lumière en fin de fibre optique afin qu’elle n’interfère pas avec la mesure et l’on en déduit alors, à partir du décalage de longueur d’onde du signal optique réfléchi par la fibre optique, la déformation de celle-ci qui permet, si cela est souhaité, de remonter à la contrainte au niveau du filtre 52. Selon un exemple, on peut disposer en série plusieurs filtres optiques 52 à réseau de Bragg avec des pas différents afin de distinguer les signaux réfléchis par les différents filtres. On peut ainsi localiser l’application de la contrainte ou de la déformation le long de la fibre. On peut également utiliser les filtres optiques pour constituer des capteurs de pression ou d’accélération.
On peut également mesurer la température appliquée à la préforme, par exemple lors de la formation de la matrice, ou à la pièce du fait d’un changement de l’indice de réfraction de la fibre optique aboutissant à une modification de la propagation du signal optique, aboutissant également dans le cas de l’emploi d’un filtre à réseau de Bragg à une modification de la longueur d’onde réfléchie.
On vient de décrire l’application de l’invention à un carter de soufflante mais l’homme du métier reconnaîtra sans difficulté que celle-ci s’applique de manière similaire à une aube de soufflante. La illustre une aube 40 de soufflante qui comprend de manière classique une zone de pied 44, une zone de profil aérodynamique 42 et un sommet 46. L’aube 40 définit également un bord d’attaque BA (bord amont par rapport à la circulation d’air dans la soufflante) et un bord de fuite BF (bord aval par rapport à la circulation d’air dans la soufflante). Le renfort fibreux de l’aube comprend dans l’exemple illustré une pluralité de torons instrumentés tissés incorporant une fibre optique 5. L’unité de contrôle est connectée aux fibres optiques 5, comme précédemment.
Les fibres optiques mises en œuvre dans le cadre de l’invention qui viennent d’être décrites présentent un réseau de Bragg. On notera que l’invention n’est pas limitée à ce cas dans la mesure où il est possible d’analyser le signal optique transmis par des fibres dépourvues de réseau de Bragg afin de suivre le paramètre physique d’intérêt. On peut par exemple analyser le signal optique en amplitude et/ou le spectrogramme de l’onde. Une analyse en transmission est également possible si les fibres optiques comprennent un réseau de Bragg. Une détection du signal optique réfléchi reste néanmoins préférable afin de ne pas multiplier les points de connexion de l’unité de contrôle.
L’expression « compris(e) entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims (11)

  1. Préforme fibreuse (10 ; 40) d’une pièce de soufflante de turbomachine aéronautique, comprenant au moins une texture obtenue par tissage tridimensionnel d’une pluralité de torons,
    la préforme étant caractérisée en ce que lesdits torons tissés comprennent un ou plusieurs torons instrumentés (1 ; 1a) utiles pour le suivi d’un paramètre physique et comprenant une fibre optique (5) formant élément de détection qui est retordue avec un ou plusieurs fils de renfort (3).
  2. Préforme fibreuse (10 ; 40) selon la revendication 1, dans laquelle la fibre optique (5) comprend un cœur (50) présentant au moins un filtre optique (52) à réseau de Bragg.
  3. Préforme fibreuse (10 ; 40) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les torons tissés comprennent au moins un ensemble de torons instrumentés (1 ; 1a) s’étendant chacun le long d’une première direction (TR) du tissage et espacés le long d’une deuxième direction (CH) du tissage transversale à la première direction, ledit ensemble comprenant successivement le long de la deuxième direction un premier, un deuxième et un troisième torons instrumentés, une fibre optique (5b) du deuxième toron instrumenté étant reliée à une fibre optique (5a) du premier toron instrumenté par une première connexion (C) optique et à une fibre optique (5c) du troisième toron instrumenté par une deuxième connexion (C) optique décalée de la première connexion optique le long de la première direction.
  4. Préforme (10 ; 40) selon la revendication 3, dans laquelle les première et deuxième connexions optiques (C) sont réalisées par fusion locale.
  5. Préforme fibreuse (10 ; 40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les fils de renfort (3) sont en carbone ou en verre.
  6. Préforme fibreuse (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la préforme est une préforme de carter de soufflante de turbomachine aéronautique.
  7. Préforme fibreuse (40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la préforme est une préforme d’aube de soufflante de turbomachine aéronautique.
  8. Pièce de soufflante de turbomachine aéronautique en matériau composite, comprenant une préforme fibreuse (10 ; 40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 densifiée par une matrice organique.
  9. Pièce selon la revendication 8, dans laquelle la pièce est en outre munie sur une surface d’au moins une fibre optique additionnelle formant élément de détection utile pour le suivi du paramètre physique.
  10. Procédé de suivi d’un paramètre physique dans une préforme fibreuse (10 ; 40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 ou dans une pièce selon la revendication 8 ou 9, comprenant au moins la détection d’une éventuelle modification du signal optique conduit par la fibre optique à l’aide d’une unité de contrôle, et la détermination d’une information relative au paramètre physique à partir de la détection réalisée.
  11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel le paramètre physique est choisi parmi l’un au moins de : la déformation de la pièce en matériau composite, l’application de contraintes mécaniques dans cette pièce, la température imposée à cette pièce ou à la préforme, l’accélération subie par cette pièce, la progression d’un matériau de matrice dans la porosité de cette préforme.
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