WO2008104692A2 - Procede de fabbrication d'une structure a lobes de melangeur de flux en cmc pour moteur aeronautique a turbine a gaz - Google Patents

Procede de fabbrication d'une structure a lobes de melangeur de flux en cmc pour moteur aeronautique a turbine a gaz Download PDF

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WO2008104692A2
WO2008104692A2 PCT/FR2008/050207 FR2008050207W WO2008104692A2 WO 2008104692 A2 WO2008104692 A2 WO 2008104692A2 FR 2008050207 W FR2008050207 W FR 2008050207W WO 2008104692 A2 WO2008104692 A2 WO 2008104692A2
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Jean-Daniel Lalanne
Pascal Ducharlet
Dominique Coupe
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Definitions

  • a method of manufacturing a CMC flux mixer lobe structure for a gas turbine engine is a method of manufacturing a CMC flux mixer lobe structure for a gas turbine engine.
  • the invention relates to the production of flux mixers made of ceramic matrix composite material (CMC material) for aeronautical gas turbine engines with double flow.
  • CMC material ceramic matrix composite material
  • the inlet flow through the fan is divided into a primary flow that passes through the compressor, the combustion chamber and the turbine and a secondary flow or fan flow that bypasses the compressor, the combustion chamber and the turbine.
  • the "hot" primary stream comprising the combustion gases and the "cold” fan stream are mixed.
  • lobe mixers that promote mixing between the streams.
  • CMC material to produce such lobe mixers has been proposed to minimize their mass while maintaining a good mechanical strength.
  • CMC materials are known for their thermostructural properties, namely mechanical properties that make them able to form structural parts and the ability to maintain these properties at high temperatures.
  • Typical CMC materials comprise a fibrous reinforcement of refractory fibers (carbon or ceramic) densified by a matrix at least partly ceramic.
  • the mixer described in this document is formed of several sector-shaped lobe structures made separately from CMC and assembled and is further provided with an internal stiffening ring.
  • the aim of the invention is to propose a particular method for obtaining a non-developable CMC lobe structure constituting a lobed mixer sector, to form a complete mixer by assembling several sectors, or even constituting a CMC lobe mixer in one piece, ie not obtained by assembling several sectors in CMC.
  • This object is achieved by a method of manufacturing a gas turbine flow mixer lobe structure having an annular upstream portion extended downstream by a multi-lobed skirt portion having a plurality of lobes distributed around a longitudinal axis of the lobed structure, the method comprising:
  • a fibrous preform made of refractory fibers having a shape corresponding to that of the lobed structure to be manufactured starting from a plurality of fibrous texture constituent elements which are assembled together and shaped by means of a tool of a shape corresponding to that of the lobed structure to be produced to obtain an assembled fibrous preform with a first preform portion corresponding to the annular portion of the lobed structure and a second preform portion corresponding to the multilobed skirt of the lobed structure, the assembly of the constituent elements of the fibrous preform being at least partly carried out along connecting lines which extend substantially in the direction of flow flow at the lobes of the multi-lobed skirt preform portion, and densification of the fibrous preform shaped and assembled by a matrix at least partly ceramic.
  • annular part here means a sector of a ring (the longitudinal axis being that of the ring) or a complete ring.
  • multilobal skirt here means a sector of multi-lobed skirt complete or a complete multi-lobed skirt.
  • the fiber preform and the lobed structure obtained by densification of the preform may have a shape corresponding to a sector of a mixer to be produced, the latter being obtained by assembling several lobed structures around the axis of the mixer.
  • the fiber preform may have a shape corresponding to that of a complete mixer to achieve and the mixer is obtained after densification of the preform without requiring the assembly of sectors.
  • the invention is remarkable in particular that the aerodynamic head losses are limited by minimizing the disturbances of the flow of the gas flow in the mixer by the assembly of constituent elements of the preform at the level of the lobes along lines extending in the direction of this flow and by producing a lobed structure in one piece by densification of an assembled preform, in spite of a shape not developable.
  • the assembly of the constituent elements of the fiber preform along the connecting lines can be achieved by sewing or by implantation of son or needles.
  • the connecting lines may extend preferably on the flanks of the lobes or along their outer vertices.
  • the assembly of the constituent elements of the fibrous preform can be carried out with overlapping adjacent edges thereof or by means of joining strips covering the adjacent edges thereof.
  • the constituent elements may then be optionally made with a reduced thickness in the overlapping zones of their adjacent edges to avoid the presence of significant extra thicknesses capable of disturbing the flow of the gas stream.
  • the fibrous texture elements constituting the fiber preform can be made by three-dimensional weaving or multilayer weaving, which gives them good resistance to delamination.
  • the fibrous texture elements constituting the fiber preform are made of ceramic fibers, in particular silicon carbide fibers (SiC).
  • SiC silicon carbide fibers
  • the method comprises:
  • the strip-like member may be made by three-dimensional weaving with a thickness in its non-incised portion greater than its thickness in its incised portion.
  • a first preform portion corresponding to the annular portion of the lobed structure is thus obtained directly with a thickness greater than that of the second preform portion corresponding to the multi-lobed skirt.
  • the first preform portion may be obtained by superimposing on the strip-shaped member at least one additional annular layer of fibrous texture. The additional annular layer may then cover starting zones of the lobes of the preform portion corresponding to the multi-lobed skirt, at the bottoms of the incisions formed in the strip-shaped element, in order to reinforce these starting zones of the lobes.
  • the method comprises:
  • At least one additional annular layer may be added to the fibrous texture covering at least the sectors of the first annular layer.
  • An additional annular layer may then cover the departure zones of the lobes of the second preform portion corresponding to the multi-lobed skirt, so as to reinforce these departure zones of the lobes.
  • the invention also relates to a gas turbine CMC flow mixer which is obtained by assembling several sectors forming lobed structures manufactured by the process defined above, or which is formed directly by a lobed structure manufactured by a such a method.
  • the invention also relates to an aeronautic engine with a twin-flow gas turbine equipped with such a CMC mixer.
  • FIG. 1 is a perspective view of a lobed mixer as it can be obtained by a method according to the invention
  • FIG. 2 is a partial sectional view schematically showing a mounting mode of the mixer of Figure 1;
  • FIGS. 3 to 5 are schematic perspective views of tooling elements used for the implementation of a method according to the invention.
  • FIG. 6 is a partial view of a strip-shaped element with incisions forming a fibrous preform constituent element of lobed structures according to a first embodiment of the invention
  • FIGS. 7 and 8 are sectional views along VII-VII plans.
  • FIG. 9 is a partial view showing a fibrous texture in which sector-shaped elements forming constituent elements of a fibrous preform of lobed structure according to the first embodiment of the invention can be cut;
  • FIG. 10 is a partial sectional view along the X-X plane of Fig 9;
  • FIG. 11 is a partial schematic view showing the assembly of the strip-shaped element of FIG. 5 with sector-shaped elements cut in the fibrous texture of FIG. 8, according to the first embodiment of FIG. invention;
  • FIG. 12 is a sectional detail view on an enlarged scale showing the assembly with overlapping between adjacent edges of a sector-shaped element and an incision of the strip-shaped element according to the first embodiment. of the invention.
  • FIGS. 13 to 15 show armor for three-dimensional weaving of the constituent elements of the fibrous preform of lobed structure
  • FIG. 16 is a sectional detail view on an enlarged scale showing the joining between adjacent edges of a sector-shaped element and an incision of the strip-shaped element, using a assembly strip according to a variant of the first embodiment of the invention
  • FIG. 17 is a partial schematic perspective view showing the conformational application on a tool element of FIG. 3 of a lobed structure fiber preform formed by assembling constituent elements according to the first embodiment of FIG. the invention
  • FIG. 18 is a partial schematic perspective view showing the use of an additional annular layer of fibrous texture for the preform portion corresponding to the annular portion of the lobed structure;
  • Figures 19 and 20 are partial views in section along the planes XIX-XIX and XX-XX of Figure 18;
  • FIG. 21 is a view of a constituent element of fibrous preform with a lobed structure according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 22 is a partial sectional view along the plane XXII-XXII of Figure 21;
  • FIG. 23 is a partial schematic view showing the assembly of sector-forming elements such as that of FIG. 21, according to the second embodiment of the invention.
  • FIG. 24 is an enlarged scale sectional detail view showing the overlapping assembly between adjacent edges of sector elements according to the second embodiment of the invention.
  • FIG. 25 is an enlarged sectional detail view showing the assembly of adjacent edges of sector-shaped elements, using an assembly strip, according to a variant of the second embodiment of the invention
  • FIG. 26 is a partial schematic perspective view showing the conformal application on a tool element of FIG. 4 of a lobed structure fiber preform formed by assembling constituent elements according to the second embodiment of FIG. the invention
  • FIGS. 27 and 28 are partial sectional views along the planes XXVII-XXVII and XXVIII-XXVIII of FIG. 26, showing in particular additional fibrous layers used for the preform portion corresponding to the annular portion of the lobed structure;
  • FIG. 29 is a schematic perspective view of a lobed structure as obtained according to the first or second embodiment of the invention.
  • FIG. 30 is a schematic perspective view of a lobed structure as obtained according to yet another embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a lobe flow mixer for a gas turbine engine such as can be obtained by a method according to the invention.
  • the general form of such a mixer is known in itself.
  • the mixer comprises a ring-shaped portion 2 extended downstream by a part 3 forming a structure or multilobed skirt complete comprising a plurality of lobes 13 distributed circumferentially around a longitudinal axis 5 of the mixer.
  • upstream and downstream are used here with reference to the general flow direction of gas flow in the mixer.
  • the lobes 13 are similar in shape, with the possible exception of one of them 13a situated in a zone of connection of the engine with a support mast and having an enlarged and flattened outer apex.
  • the mixer 1 is made of CMC material, this term covering here materials comprising a fibrous reinforcement refractory fibers (carbon or ceramic) densified by a matrix at least partially ceramic, at least one external phase of the matrix being ceramic, since the refractory oxide type compounds are here classified under the ceramic name.
  • CMC materials are C / SiC materials (carbon fiber reinforcement and silicon carbide matrix), SiC / SiC materials (reinforcing fibers and SiC matrix) and C / C-SiC materials ( reinforcement made of carbon fibers and mixed carbon matrix (closest to the fibers) and SiC
  • An interphase layer for example made of pyrolytic carbon (PyC) or boron nitride (BN), can be interposed between the fibers and
  • SiC fibers are preferably used for the formation of the fibrous reinforcement, the SiC fibers being able to be previously provided with a PyC interphase coating.
  • the mixer 1 is supported by connection with an internal metal ferrule 6 by means of metal connecting lugs 7.
  • the connecting lugs are fixed by bolting onto a flange integrally formed with the inner ferrule 6.
  • the connecting lugs 7 are fixed by bolting on the ring 2 of the mixer.
  • the connecting lugs 7 have a curved shape to present an elastic deformation capacity to accommodate differential thermal expansion between the mixer material CMC and the inner metal ferrule 6.
  • Other link tabs (not shown) Elastically deformable alternating with the connecting lugs 7 connect the inner ferrule 6 to an outer ferrule 8.
  • the ferrules 6 and 8 support the mixer 1 in a housing of a gas nozzle exhaust zone. Such an arrangement is described in WO2006 / 035186 already cited.
  • the mixer 1 is formed by assembling several sectors 10 in CMC, here the number of 3.
  • the sectors can extend over substantially equal angles.
  • Each sector 10 forms a lobed structure with an annular portion 11 forming a sector of the ring 2 of the mixer and a multi-lobed skirt 12 comprising a plurality of lobes 13 and forming a sector of the multilobed skirt 3 of the mixer.
  • the sectors 10 are assembled along their adjacent edges for example by bolting or riveting.
  • the fibrous preform constituting the reinforcement of a lobe structure 10 made of CMC is made from elements constituting the preform in fibrous texture, which elements are assembled together and shaped on a tool element to form a complete preform of lobe structure.
  • Such a tooling element, or shape 20 having a shape corresponding to that of the lobe structure 10 to be manufactured is illustrated in Figure 3. It comprises an annular portion 21, corresponding to the annular portion 11 of the lobed structure and a multilobal portion 22 corresponding to the multi-lobed skirt 12 of the lobed structure, with 10
  • the zone 110 of the strip 101 is intended to form a first lobed structure preform portion corresponding to the annular portion 11, substantially until the connection with the lobes 13. As illustrated in FIG. 7, the zone may be given 110, at least over part of its width from the edge 101b, a thickness el greater than the thickness e2 of the remainder 120 of the strip 101 to have a thickness greater than the level of the ring 2 by which the mixer has climbed.
  • the other constituent elements of the fibrous preform of lobed structure, with the band 101, are sector-shaped elements 130 which can advantageously be obtained by cutting in a fibrous texture band such as the band 105 of FIG. 9.
  • the dotted lines indicate the cutting lines of the elements 130.
  • the elements 130 have a generally triangular general shape with a base 132 and two edges 134, 136, the bases 132 of the elements 130 extending alternately on one side 105a of the band 105 and on the opposite side 105b.
  • the strip 105 has a thickness e4 substantially equal to the thickness e2 of the zone 120 of the strip 101, with the exception of marginal zones 134a, 136a of reduced thickness e5 along the edges 134
  • the marginal areas 134a, 136a have a width substantially equal to that of the marginal areas 104a, 106a.
  • the assembly of the elements 130 forming sectors with the band 101 is achieved by opening the incisions 102 by spacing their edges 104, 106 to insert the elements 130 cut in the band 105, as shown in Figure 11.
  • the marginal areas 104a and 134a come into mutual recovery, as do the zones 11
  • the width of the band 105 is chosen so that the elements 130 occupy the space between the edges 104, 106 of the incisions 102, over the entire length of these edges, and one uses as many elements 130 as there are incisions 102, each member 130 being inserted between the edges of a respective incision.
  • Figure 12 shows the overlap of marginal areas 104a, 106a with marginal areas 134a, 136a, respectively.
  • the thicknesses e3 and e5 are chosen, for example equal to each other, so that their sum is substantially equal to the thicknesses e2 and e4 so as not to generate significant extra thicknesses.
  • the connection between the elements 130 and the band 101 is advantageously performed by sewing their superimposed marginal zones, by means of a sewing thread 140.
  • the seam can be made by stitch or chain stitch. Other modes of connection may be envisaged, such as implantation of threads, as described for example in document US Pat. No.
  • the strips 101 and 105 are advantageously made by three-dimensional weaving interlock type with variable thickness.
  • the fiber preform is made of ceramic fibers, in particular of SiC fibers.
  • the weaving can then be performed with a yarn marketed by the Japanese company Ube Industries Ltd. under the name "Tyranno ZMI” or a yarn marketed by the Japanese company Nippon Carbon under the name "Nicalon”.
  • Tyranno ZMI a yarn marketed by the Japanese company Nippon Carbon under the name "Nicalon”.
  • wrapping with a yarn made of a material that can be subsequently removed without affecting the SiC yarn may be produced, for example a wrapping with a polyvinyl alcohol yarn ( PVA) removable by dissolution in water.
  • PVA polyvinyl alcohol yarn
  • a three-dimensional weave with interlock type weave is a weave in which each warp thread connects several layers of weft threads together, the paths of the warp threads being identical.
  • the passage from one thickness to another can be carried out gradually with removal or addition of layers of warp and weft son.
  • Three-dimensional weaving can be used, for example multi-layer weaves with multi-fabric, multi-satin or multi-twill type weaves.
  • Such armors that can be used for weaving fibrous textures of progressive thickness are described in particular in document PCT FR2006 / 050617.
  • the sewing thread 140 may also be SiC, for example identical to that used for the production of the fibrous texture.
  • FIG. 16 illustrates an alternative embodiment according to which the assembly of the elements 130 with the strip 101 is carried out by means of assembly strips 150 which cover the marginal zones 104a, 134a and 106a, 136a, these being disposed at edge and not superimposed.
  • the strips 150 are cut into a fibrous texture obtained for example by three-dimensional weaving and of the same nature as the fibrous texture of the strip 101 and the elements 130.
  • the thickness of the assembly strips is chosen so as not to generate significant extra thicknesses.
  • the connection between the strip 101 and the elements 130 is made for example by sewing the joining strips 150 on the marginal areas 104a, 134a and 106a, 136a by means of sewing thread 160.
  • the assembly is shaped on the form 20 to obtain the desired fibrous preform for the lobed structure to be manufactured.
  • the zone 110 of the strip 101 is applied to the annular portion 21 and then the assembly formed by the zone 120 of the strip 101 and the sector-forming elements 130 is applied to the multilobed part 22 of the shape 20 to obtain a fibrous preform part. corresponding to the multi-lobed skirt 12 of the lobed structure.
  • the conformation of the fibrous preform can be achieved with 13
  • Figure 17 shows partially the fiber preform 100 of lobed structure thus obtained.
  • the preform 100 comprises an annular preform portion 111 corresponding to the annular portion 11 of the lobed structure and formed by the conformation of the zone 110 of the strip 101 on the annular portion 21 of the shape 20, and a portion 112 of the preform multilobed skirt corresponding to the multi-lobed skirt 12 of the lobed structure and formed by conformation on the part 22 of the shape 20.
  • the fiber preform 100 has been disposed on the shape 20 in such a way that the connecting lines 121 between constituent elements of the preform (that is to say the marginal zones sewn along the edges of the incisions formed in the band 21) extending along the flanks of the lobes 113 of the preform part 112.
  • Such an arrangement has an advantage because, in the mixer produced by assembly of lobe structures obtained after densification of preforms 100, these connection lines are located in zones of the langer least mechanically stressed.
  • the connecting lines between constituent elements of the preform could be arranged along the external vertices of the lobes 113.
  • Such an arrangement also has an advantage because, in the mixer finally obtained, the connection lines are then in zones of the mixer exposed to the lowest temperatures.
  • the connecting lines extend substantially in the direction of flow of the gas stream in the mixer finally obtained so that any surface irregularities induced by the presence of the connecting lines do not occur. can significantly disturb the flow of this gas stream.
  • the dimensions of the strip 101 and the elements 130 forming sectors are of course chosen to obtain a preform 100 of shape corresponding to that of the lobed structure to be manufactured, account being possibly taken of a final eventual machining after densification of the preform.
  • the length of the strip 101 is chosen according to the desired circumference for the preform part 111 while the length of the strip 101 is chosen according to the desired size of the preform 100 in the axial direction after formation of the lobes 113 .
  • the lengths of the base sides 132 of the sector-forming elements 130 are chosen to complete the length of the strip 101 in order to obtain a total length corresponding to the developed of the layer formed by the downstream end edge of the part of FIG. 18 shows an alternative embodiment in which the strip 101 has a thickness in the preform part 111 equal to that of the preform part 112 (except for the marginal areas of the incisions 102 which have a reduced thickness).
  • the reinforcement of the thickness of the preform part corresponding to the annular portion of the lobed structure can then be ensured by adding an additional fibrous layer 107, for example of the same kind as the strip 101.
  • the stratum 107 has a variable width between a first value substantially corresponding to that of the zone 110, and a second value greater than the first value at the levels of the incisions 102, so as to cover and reinforce the zones of birth (or starting) of the lobes 113 which are at the incision levels 102.
  • the additional fibrous layer 107 may be bonded to the band 101 in the same manner as the elements 130 for example by a few stitches, by implantation of needles or pins, or by gluing.
  • the fibrous preform of lobe structure is made by assembling and shaping a plurality of constituent elements each comprising a sector of at least one stratum constituting a first preform part corresponding to the annular portion of the lobed structure and a sector of a second preform portion corresponding to the multilobed skirt of the lobed structure.
  • FIG. 21 diagrammatically illustrates such a constituent element 201 made in a single piece of fibrous texture with two portions 210 and 220 forming sectors, the portion 220 extending over an angle ⁇ greater than the angle ⁇ on which extends the part 210. 15
  • the element 201 has a constant thickness e6 with the exception of marginal zones 204a, 206a of reduced thickness e7 along its longitudinal edges 204, 206, as shown in FIG. 22.
  • a plurality of sector-shaped elements 201 are assembled with mutual overlapping of the marginal areas extending along their adjacent edges, as schematically shown in FIGS. 23 and 24.
  • the assembled elements 201 are connected to one another, for example by sewing. along the overlapping marginal areas, using a sewing thread 240 possibly of the same nature as the fibrous texture constituting the elements 201.
  • Other methods of assembly including implantation of needles or pins or gluing could be used.
  • the thickness e7 can be chosen to be substantially equal to half the thickness e6 so as not to generate significant extra thickness in the mutual overlaps of the marginal zones 204a, 206a.
  • a fibrous assembly is thus obtained in the general shape of a ring sector with an annular part formed by the joining of the ring sector portions 210 and a folded (non-developable) part formed by the joining of the sectors 220.
  • the constitutive elements 201 of the fiber preform can be made by three-dimensional weaving, for example interlock type, with the marginal areas of smaller thickness as described above with respect to the first embodiment of the invention.
  • the elements 201 it is possible to use wires of the same type as that mentioned above also with regard to the first embodiment.
  • FIG. 25 illustrates an alternative embodiment in which the assembly of the elements 201 between them is performed by means of assembly strips 250 which cover the marginal areas 204a, 206a arranged not in mutual overlap, but edge to edge.
  • the strips 250 are cut into a fibrous texture obtained for example by three-dimensional weaving and of the same nature as the fibrous texture of the elements 201.
  • the thickness of the joining strips 250 may be chosen so as not to generate significant extra thickness.
  • the connection between the elements 201 and the assembly strips 250 is made for example by sewing the assembly strips 250 on the zones 16
  • marginal 204a, 206a by means of sewing thread 260.
  • the assembly is shaped on the form 20 to obtain the desired preform for the lobe structure to be manufactured.
  • the sector-shaped joined portions 210 are applied to the annular portion 21 of the shape 20 to obtain a constituent stratum of the preform portion 211 corresponding to the annular portion of the lobed structure.
  • the sector-shaped joined portions 220 are applied to the multi-lobed portion 22 of the form 20 possibly with the assistance of the conformation keys 30 or the membrane 40 to obtain a multi-lobed preform portion 212 corresponding to the multilobed skirt of the structure. with lobes to manufacture.
  • Fig. 26 partially shows the preform 200 of lobed structure thus obtained. Reinforcement of the thickness of the preform part 211 can be ensured by adding an additional fibrous layer 207, for example of the same type as the elements 201. As shown in FIGS. 26 to 28, the stratum 207 has a width variable between a first value corresponding substantially to that of the preform portion 210 and a second larger width such that it extends to the level of the birth zones (or departure) of the lobes 213 of the preform 200, so to strengthen these areas.
  • Another additional stratum 208 may be disposed on the other side of the preform part 211, the stratum 208 being disposed on the annular part 21 of the form 20 before application of all the assembled elements 201.
  • the strata 207 and 208 may be bonded to the portions 210 forming sectors for example by stitches, implantation of needles or pins, or gluing. It will be noted that the elements 201 may be made with a greater thickness at the sectors 210, so as to directly obtain an annular preform part 211 of greater thickness, without the need to add additional layers.
  • the fibrous preform 200 is disposed on the form 20 during its shaping so that the joining lines between the portions 220 forming sectors are preferably located along the sides of the lobes 17
  • the dimensions of the elements 201 are chosen to obtain a preform 200 of lobed structure of shape corresponding to that of the lobed structure to be manufactured, taking into account, where appropriate, any final machining after densification of the preform.
  • the portions 220 in the form of sectors must extend over an angle ⁇ large enough to allow the formation of the desired lobes 213.
  • the fiber preform 100 or 200 may be obtained from dry fibrous texture elements (not pre-impregnated) or pre-impregnated fibrous texture.
  • a preliminary step of consolidation of the fiber preform by partial densification by a consolidation matrix can be performed before densification of the preform with a matrix at least partly made of ceramic.
  • This consolidation step may consist in impregnating the fibrous preform with a liquid precursor composition of ceramic or carbon, for example a resin which may be diluted in a solvent, and then converting the precursor by heat treatment after removal of the optional solvent and crosslinking of the resin.
  • SiC precursors are, for example, polycarbosilane, polytitanocarbosilane, polysilazane or polysiloxane type resins while a carbon precursor is, for example, a relatively high coke resin such as a phenolic resin.
  • Example pyrolytic carbon or boron nitride (BN) could also be formed beforehand on the fibrous texture used for the constituent elements of the preform or after assembly of these elements.
  • the formation of the interphase coating can then be obtained by chemical vapor infiltration.
  • the 100 or 200 dry fibrous preform is formed on the form constituting a male mold portion by, for example, shaping keys 30 constituting female mold members.
  • the shaping keys are removed and the membrane 40 is put in place.
  • Impregnation of the fibrous preform with the liquid precursor of the consolidation matrix is performed. Impregnation of the preform can be assisted by evacuation of the space between the form 20 and the membrane 40, the membrane can then be covered by a waterproof film.
  • a thermal transformation treatment by pyrolysis of the ceramic or carbon resin precursor is carried out and a consolidated fiber preform partially densified by a ceramic or carbon matrix is obtained.
  • the consolidated preform is fixed in the desired shape defined by the shape 20 and the membrane 40.
  • the use of the elastomer preform 40 contributes to providing a relatively smooth surface appearance, mitigating irregularities such as those resulting from the connections made between them. constituent elements of the preform.
  • the pre-impregnation may be carried out by a ceramic or carbon precursor resin such as those mentioned above, the resin being able to be pre-polymerized after elimination of a possible solvent used for impregnation.
  • the conformation of the fibrous preform obtained by assembling elements of preimpregnated fibrous texture is carried out on the form 20 by means, for example, of the membrane 40.
  • the molding of the preform can be assisted by the application of a differential pressure and the The resin is then completely crosslinked.
  • a pyrolytic transformation heat treatment of the ceramic or carbon resin precursor is then carried out and a 19
  • the densification of the consolidated preform is continued by forming a ceramic matrix, for example by chemical vapor infiltration or CVI ("Chemical Vapor Infiltration").
  • the ceramic matrix may be a refractory ceramic, such as SiC, or, advantageously, a "self-healing" ceramic matrix.
  • a "self-healing" ceramic matrix is obtained by performing at least one constituent phase of the matrix in a material capable, by passing to the viscous state in a certain temperature range, to fill or "heal" cracks formed in the matrix especially under the effect of thermal cycling.
  • Compositions having "self-healing" properties include vitreous compositions, for example of aluminosilicate type, or compositions capable, under the effect of oxidation, of forming glassy compositions.
  • B 4 C boron carbide matrix phases or a Si-BC ternary system are precursors of glassy compositions.
  • a CMC lobe structure such as structure 10 of FIG. 29 is formed, forming a lobed mixer sector.
  • consolidation of the preform can be carried out not by a liquid route (impregnation with a liquid precursor of the consolidation matrix followed by crosslinking and pyrolysis), but by CVI.
  • Rigid tooling elements 20 and forming keys 30 are then used which, while maintaining the fiber preform in the desired shape, are advantageously multi-perforated to promote access of the gas phase to the preform.
  • the mixer is obtained by assembling three sectors.
  • the number of sectors forming the mixer and each constituting a lobed structure may be different from three, the tools used for producing the preforms being adapted to the shapes of the lobe structures to be produced.
  • FIG. 30 Such a mixer is shown in FIG. 30.
  • a shape and a membrane having shapes corresponding to that of the complete mixer to be obtained will be used for the conformation of the fiber preform.
  • the two ends of the zone 120 of the fibrous texture strip 101 will then be treated as edges of an incision and the two ends of the zone 110 of the fibrous texture strip 101 will be assembled by their marginal areas, in the same way as for the assembly of the constituent elements of the preform, to form a complete ring.
  • lobe structure should be understood to mean a full lobe mixer or a sector only of such a mixer.

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Abstract

Procédé de fabrication d'une structure à lobes de mélangeur de flux de turbine à gaz ayant une partie amont annulaire prolongée vers l'aval par une partie formant jupe multilobée, le procédé comprenant : la réalisation d'une préforme fibreuse (100) en fibres réfractaires ayant une forme correspondant à celle de la structure à lobes à fabriquer, à partir de plusieurs éléments constitutifs en texture fibreuse qui sont assemblés entre eux et mis en forme au moyen d'un outillage de forme correspondant à celle de la structure à lobes à fabriquer pour obtenir une préforme fibreuse assemblée avec une première partie de préforme (111) correspondant à la partie annulaire de la structure à lobes et une deuxième partie de préforme (112) correspondant à la jupe multilobée de la structure à lobes, l'assemblage des éléments constitutifs de la préforme fibreuse étant au moins en partie réalisé le long de lignes de liaison (121) qui s'étendent sensiblement dans le sens d'écoulement du flux au niveau de lobes de la partie de préforme de jupe multilobée, et la densification de la préforme fibreuse mise en forme et assemblée, par une matrice au moins en partie en céramique.

Description

Procédé de fabrication d'une structure à lobes de mélangeur de flux en CMC pour moteur aéronautique à turbine à gaz.
Arrière-plan de l'invention L'invention concerne la réalisation de mélangeurs de flux en matériau composite à matrice céramique (matériau CMC) pour moteurs aéronautiques à turbine à gaz à double flux.
Dans une turbine à gaz à double flux de moteur aéronautique, le flux admis en entrée à travers la soufflante est partagé en un flux primaire qui traverse le compresseur, la chambre de combustion et la turbine et un flux secondaire ou flux de soufflante qui contourne le compresseur, la chambre de combustion et la turbine. En sortie, le flux primaire "chaud" comprenant les gaz de combustion et le flux de soufflante "froid" sont mélangés. Afin de réduire le bruit de jet éjecté, il est connu d'utiliser des mélangeurs à lobes qui favorisent le mélange entre les flux.
L'utilisation de matériau CMC pour réaliser de tels mélangeurs à lobes a été proposée afin de minimiser leur masse tout en conservant une bonne tenue mécanique. En effet, les matériaux CMC sont connus pour leurs propriétés thermostructurales, à savoir des propriétés mécaniques qui les rendent aptes à former des pièces de structure et la capacité de conserver ces propriétés à des températures élevées. Des matériaux CMC typiques comprennent un renfort fibreux en fibres réfractaires (carbone ou céramique) densifié par une matrice au moins en partie en céramique. Un mélangeur à lobes en CMC est décrit dans le document
WO2006/035186. Le mélangeur décrit dans ce document est formé de plusieurs structures à lobes en forme de secteurs fabriquées séparément en CMC et assemblées et est muni en outre d'un anneau raidisseur interne.
But et résumé de l'invention
L'invention a pour but de proposer un procédé particulier permettant d'obtenir une structure à lobes en CMC non développable constituant un secteur de mélangeur à lobes, pour former un mélangeur complet par assemblage de plusieurs secteurs, ou même constituant un mélangeur à lobes en CMC en une seule pièce, c'est-à-dire non obtenu par assemblage de plusieurs secteurs en CMC.
Ce but est atteint grâce à un procédé de fabrication d'une structure à lobes de mélangeur de flux de turbine à gaz ayant une partie amont annulaire prolongée vers l'aval par une partie formant jupe multilobée ayant une pluralité de lobes répartis autour d'un axe longitudinal de la structure à lobes, le procédé comprenant :
- la réalisation d'une préforme fibreuse en fibres réfractaires ayant une forme correspondant à celle de la structure à lobes à fabriquer, à partir de plusieurs éléments constitutifs en texture fibreuse qui sont assemblés entre eux et mis en forme au moyen d'un outillage de forme correspondant à celle de la structure à lobes à fabriquer pour obtenir une préforme fibreuse assemblée avec une première partie de préforme correspondant à la partie annulaire de la structure à lobes et une deuxième partie de préforme correspondant à la jupe multilobée de la structure à lobes, l'assemblage des éléments constitutifs de la préforme fibreuse étant au moins en partie réalisé le long de lignes de liaison qui s'étendent sensiblement dans le sens d'écoulement du flux au niveau de lobes de la partie de préforme de jupe multilobée, et - la densification de la préforme fibreuse mise en forme et assemblée, par une matrice au moins en partie en céramique.
Par partie annulaire, on entend ici un secteur d'un anneau (l'axe longitudinal étant celui de l'anneau) ou un anneau complet. De même, par jupe multilobée on entend ici un secteur de jupe multilobée complète ou une jupe multilobée complète.
Ainsi, la préforme fibreuse et la structure à lobes obtenue par densification de la préforme peuvent avoir une forme correspondant à un secteur d'un mélangeur à réaliser, ce dernier étant obtenu par assemblage de plusieurs structures à lobes autour de l'axe du mélangeur. En variante, la préforme fibreuse peut avoir une forme correspondant à celle d'un mélangeur complet à réaliser et le mélangeur est obtenu après densification de la préforme sans nécessiter l'assemblage de secteurs.
L'invention est remarquable notamment en ce que les pertes de charges aérodynamiques sont limitées en minimisant les perturbations de l'écoulement du flux gazeux dans le mélangeur par l'assemblage des éléments constitutifs de la préforme au niveau des lobes le long de lignes s'étendant dans le sens de cet écoulement et par la réalisation d'une structure à lobes en une seule pièce par densification d'une préforme assemblée, en dépit d'une forme non développable. L'assemblage des éléments constitutifs de la préforme fibreuse le long des lignes de liaison peut être réalisé par couture ou par implantation de fils ou aiguilles.
Les lignes de liaison peuvent s'étendre de préférence sur les flancs des lobes ou le long de leurs sommets externes. L'assemblage des éléments constitutifs de la préforme fibreuse peut être réalisé avec recouvrement de bords adjacents de ceux-ci ou par l'intermédiaire de bandes d'assemblage recouvrant les bords adjacents de ceux-ci.
Les éléments constitutifs pourront alors être éventuellement réalisés avec une épaisseur réduite dans les zones en recouvrement de leurs bords adjacents afin d'éviter la présence de surépaisseurs notables susceptibles de perturber l'écoulement du flux gazeux.
Les éléments en texture fibreuse constitutifs de la préforme fibreuse peuvent être réalisés par tissage tridimensionnel ou tissage multicouche, ce qui leur confère une bonne résistance au délaminage.
Avantageusement, les éléments en texture fibreuse constitutifs de la préforme fibreuse sont en fibres en céramique, notamment en fibres en carbure de silicium (SiC). On confère ainsi au matériau CMC obtenu après densification par la matrice céramique une raideur élevée, ce qui évite la nécessité de prévoir un anneau raidisseur au niveau des lobes, la présence d'un tel anneau étant pénalisante du point de vue aérodynamique.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend :
- la réalisation d'un élément en texture fibreuse en forme de bande,
- la réalisation d'incisions à travers la bande, les incisions s'étendant depuis un côté de la bande, sensiblement perpendiculairement à ce côté et sur une distance inférieure à la largeur de la bande,
- la découpe d'éléments en forme de secteurs dans une texture fibreuse, - l'assemblage de chaque secteur avec la bande par liaison entre les bords du secteur et les bords d'une incision respective de la bande, chaque secteur étant ainsi inséré entre les bords d'une incision.
L'élément en forme de bande peut être réalisé par tissage tridimensionnel avec une épaisseur dans sa partie non incisée supérieure à son épaisseur dans sa partie incisée. On obtient ainsi directement une première partie de préforme correspondant à la partie annulaire de la structure à lobes avec une épaisseur supérieure à celle de la deuxième partie de préforme correspondant à la jupe multilobée. En variante, la première partie de préforme peut être obtenue en superposant à l'élément en forme de bande au moins une strate annulaire supplémentaire en texture fibreuse. La strate annulaire supplémentaire peut alors recouvrir des zones de départ des lobes de la partie de préforme correspondant à la jupe multilobée, au niveau des fonds des incisions formées dans l'élément en forme de bande, afin de renforcer ces zones de départ des lobes.
Selon un autre mode de réalisation, le procédé comprend :
- la réalisation d'une pluralité d'éléments en texture fibreuse comprenant chacun un secteur d'au moins une première strate annulaire constitutive de la première partie de préforme correspondant à la partie annulaire de la structure à lobes et un secteur de la deuxième partie de préforme correspondant à la jupe multilobée, et
- l'assemblage des éléments au moins le long de bords adjacents des secteurs de la deuxième partie de préforme correspondant à la jupe multilobée.
Pour former la première partie de préforme correspondant à la partie annulaire de la structure à lobes, on peut ajouter au moins une strate annulaire supplémentaire en texture fibreuse couvrant au moins les secteurs de la première strate annulaire. Une strate annulaire supplémentaire peut alors recouvrir les zones de départs des lobes de la deuxième partie de préforme correspondant à la jupe multilobée, de manière à renforcer ces zones de départs des lobes.
L'invention vise aussi un mélangeur de flux en CMC de turbine à gaz qui est obtenu par assemblage de plusieurs secteurs formant des structures à lobes fabriquées par le procédé défini ci-avant, ou qui est formé directement par une structure à lobes fabriquée par un tel procédé. L'invention vise encore un moteur aéronautique à turbine à gaz à double flux équipé d'un tel mélangeur en CMC.
Brève description des dessins - la figure 1 est une vue en perspective d'un mélangeur à lobes tel qu'il peut être obtenu par un procédé selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue partielle en coupe montrant schématiquement un mode de montage du mélangeur de la figure 1 ;
- les figures 3 à 5 sont des vues schématiques en perspective d'éléments d'outillage utilisables pour la mise en œuvre d'un procédé conforme à l'invention ;
- la figure 6 est une vue partielle d'un élément en forme de bande avec incisions formant un élément constitutif de préforme fibreuse de structures à lobes selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - les figures 7 et 8 sont des vues en coupe selon les plans VII-
VII et VIII-VIII de la figure 6 ;
- la figure 9 est une vue partielle montrant une texture fibreuse dans laquelle peuvent être découpés des éléments en forme de secteurs formant des éléments constitutifs d'une préforme fibreuse de structure à lobes selon le premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 10 est une vue partielle en coupe selon le plan X-X de la figue 9 ;
- la figure 11 est une vue schématique partielle montrant l'assemblage de l'élément en forme de bande de la figure 5 avec des éléments en forme de secteurs découpés dans la texture fibreuse de la figure 8, selon le premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 12 est une vue de détail en coupe à échelle agrandie montrant l'assemblage avec recouvrement entre bords adjacents d'un élément en forme de secteur et d'une incision de l'élément en forme de bande selon le premier mode de réalisation de l'invention ;
- les figures 13 à 15 montrent des armures pour le tissage tridimensionnel des éléments constitutifs de Ia préforme fibreuse de structure à lobes ;
- la figure 16 est une vue de détail en coupe à échelle agrandie montrant l'assemblage entre bords adjacents d'un élément en forme de secteur et d'une incision de l'élément en forme de bande, utilisant une bande d'assemblage selon une variante du premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 17 est une vue schématique partielle en perspective montrant l'application avec conformation sur un élément d'outillage de la figure 3 d'une préforme fibreuse de structure à lobes formée par assemblage d'éléments constitutifs selon Ie premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 18 est une vue schématique partielle en perspective montrant l'utilisation d'une strate annulaire supplémentaire en texture fibreuse pour la partie de préforme correspondant à la partie annulaire de la structure à lobes ;
- les figures 19 et 20 sont des vues partielles en coupe selon les plans XIX-XIX et XX-XX de la figure 18 ;
- la figure 21 est une vue d'un élément constitutif de préforme fibreuse de structure à lobes selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 22 est une vue partielle en coupe selon le plan XXII-XXII de la figure 21 ;
- la figure 23 est une vue schématique partielle montrant l'assemblage d'éléments formant secteurs tels que celui de la figure 21, selon le deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 24 est une vue de détail en coupe à échelle agrandie montrant l'assemblage avec recouvrement entre bords adjacents d'éléments formant secteurs selon le deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 25 est une vue de détail en coupe à échelle agrandie montrant l'assemblage entre bords adjacents d'éléments en forme de secteurs, utilisant une bande d'assemblage, selon une variante du deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 26 est une vue schématique partielle en perspective montrant l'application avec conformation sur un élément d'outillage de la figure 4 d'une préforme fibreuse de structure à lobes formée par assemblage d'éléments constitutifs selon le deuxième mode de réalisation de l'invention ; - les figures 27 et 28 sont des vues partielles en coupe selon les plans XXVII-XXVII et XXVIII-XXVIII de la figure 26 montrant notamment des strates fibreuses supplémentaires utilisées pour la partie de préforme correspondant à la partie annulaire de la structure à lobes ;
- la figure 29 est une vue schématique en perspective d'une structure à lobes telle qu'obtenue selon le premier ou deuxième mode de réalisation de l'invention ; et
- la figure 30 est une vue schématique en perspective d'une structure à lobes telle qu'obtenue selon encore un autre mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation
La figure 1 montre un mélangeur de flux à lobes pour moteur aéronautique à turbine à gaz tel qu'il peut être obtenu par un procédé selon l'invention.
La forme générale d'un tel mélangeur est connue en elle-même. Le mélangeur comprend une partie 2 en forme d'anneau prolongée vers l'aval par une partie 3 formant structure ou jupe multilobée complète comprenant une pluralité de lobes 13 répartis circonférentiellement tout autour d'un axe longitudinal 5 du mélangeur. Les termes "amont" et "aval" sont ici utilisés par référence à la direction générale d'écoulement de flux gazeux dans le mélangeur. Les lobes 13 sont de formes semblables à l'exception éventuellement de l'un d'entre eux 13a situé dans une zone de liaison du moteur avec un mât de support et ayant un sommet externe élargi et aplati.
Dans le cadre de la présente invention, le mélangeur 1 est réalisé en matériau CMC, ce terme couvrant ici les matériaux comprenant un renfort fibreux en fibres réfractaires (carbone ou céramique) densifié par une matrice au moins partiellement en céramique, au moins une phase externe de la matrice étant en céramique, étant donné que les composés de type oxydes réfractaires sont ici rangés sous la dénomination céramique. Des exemples typiques de tels matériaux CMC sont les matériaux C/SiC (renfort en fibres de carbone et matrice en carbure de silicium), les matériaux SiC/SiC (fibres de renfort et matrice en SiC) et les matériaux C/C-SiC (renfort en fibres de carbone et matrice mixte en carbone (au plus près des fibres) et SiC. Une couche d'interphase, par exemple en carbone pyrolytique (PyC) ou en nitrure de bore (BN), peut être interposée entre les fibres et la matrice. Dans le cadre de la présente invention, on utilise de préférence des fibres SiC pour la formation du renfort fibreux, les fibres SiC pouvant être préalablement munies d'un revêtement d'interphase en PyC.
Comme illustré par la figure 2, le mélangeur 1 est supporté par liaison avec une virole métallique interne 6 au moyen de pattes de liaison métalliques 7. A une extrémité, les pattes de liaison sont fixées par boulonnage sur une bride formée intégralement avec la virole interne 6. A leur autre extrémité, les pattes de liaison 7 sont fixées par boulonnage sur l'anneau 2 du mélangeur. Les pattes de liaison 7 ont une forme recourbée pour présenter une capacité de déformation élastique permettant d'accommoder des dilatations différentielles d'origine thermique entre le mélangeur en matériau CMC et la virole métallique interne 6. D'autres pattes de liaison (non représentées) élastiquement déformables alternant avec les pattes de liaison 7 relient la virole interne 6 à une virole externe 8. Les viroles 6 et 8 permettent de supporter le mélangeur 1 dans un carter d'une zone d'échappement de tuyère à gaz. Un tel montage est décrit dans le document WO2006/035186 déjà cité.
Dans l'exemple illustré, le mélangeur 1 est formé par assemblage de plusieurs secteurs 10 en CMC, ici au nombre de 3. Les secteurs peuvent s'étendre sur des angles sensiblement égaux. Chaque secteur 10 forme une structure à lobes avec une partie annulaire 11 formant un secteur de l'anneau 2 du mélangeur et une jupe multilobée 12 comprenant plusieurs lobes 13 et formant un secteur de la jupe multilobée 3 du mélangeur. Les secteurs 10 sont assemblés le long de leurs bords adjacents par exemple par boulonnage ou rivetage.
Selon une caractéristique du procédé de l'invention, la préforme fibreuse constituant le renfort d'une structure à lobes 10 en CMC est réalisée à partir d'éléments constitutifs de la préforme en texture fibreuse, lesquels éléments sont assemblés entre eux et conformés sur un élément d'outillage pour constituer une préforme complète de structure à lobes.
Un tel élément d'outillage, ou forme 20 ayant une forme correspondant à celle de la structure à lobes 10 à fabriquer est illustré par la figure 3. Il comprend une partie annulaire 21, correspondant à la partie annulaire 11 de la structure à lobes et une partie multilobée 22 correspondant à la jupe multilobée 12 de la structure à lobes, avec 10
La zone 110 de la bande 101 est destinée à former une première partie de préforme de structure à lobes correspondant à la partie annulaire 11, sensiblement jusqu'au raccordement avec les lobes 13. Comme illustré par la figure 7, on pourra conférer à la zone 110, au moins sur une partie de sa largeur à partir du bord 101b, une épaisseur el supérieure à l'épaisseur e2 du reste 120 de la bande 101 afin d'avoir une épaisseur supérieure au niveau de l'anneau 2 par lequel le mélangeur est monté.
Comme illustré par la figure 8, dans la zone 120 de la bande 101 destinée à former une deuxième partie de préforme de structure à lobes correspondant à la jupe multilobée 12, on pourra avoir une épaisseur réduite e3 par rapport à l'épaisseur e2, dans des zones marginales 104a, 106a, le long des bords des incisions 102. Un assemblage avec d'autres éléments constitutifs de la préforme fibreuse de la structure à lobes pourra ainsi être réalisé avec recouvrement au niveau des zones marginales 104a, 106a sans engendrer de surépaisseurs notables, ainsi que décrit plus loin de façon plus détaillée.
Les autres éléments constitutifs de la préforme fibreuse de structure à lobes, avec la bande 101, sont des éléments 130 en forme de secteurs qui peuvent avantageusement être obtenus par découpe dans une bande de texture fibreuse telle que la bande 105 de la figure 9.
Sur la figure 9, les traits mixtes indiquent les lignes de découpe des éléments 130. Les éléments 130 ont une forme générale sensiblement triangulaire avec une base 132 et deux bords 134, 136, les bases 132 des éléments 130 s'étendant alternativement sur un côté 105a de la bande 105 et sur le côté opposé 105b. Comme le montre la figure 10, la bande 105 présente une épaisseur e4 sensiblement égale à l'épaisseur e2 de la zone 120 de la bande 101, à l'exception de zones marginales 134a, 136a d'épaisseur réduite e5 le long des bords 134, 136 des éléments 130. Les zones marginales 134a, 136a ont une largeur sensiblement égale à celle des zones marginales 104a, 106a.
L'assemblage des éléments 130 formant secteurs avec la bande 101 est réalisé en ouvrant les incisions 102 par écartement de leurs bords 104, 106 pour insérer les éléments 130 découpés dans la bande 105, comme montré par la figure 11. Les zones marginales 104a et 134a viennent en recouvrement mutuel, de même que les zones 11
marginales 106a et 136a. La largeur de la bande 105 est choisie pour que les éléments 130 occupent l'espace entre les bords 104, 106 des incisions 102, sur toute la longueur de ces bords, et l'on utilise autant d'éléments 130 qu'il y a d'incisions 102, chaque élément 130 étant inséré entre les bords d'une incision respective.
La figure 12 montre le recouvrement de zones marginales 104a, 106a avec des zones marginales 134a, 136a, respectivement. Les épaisseurs e3 et e5 sont choisies, par exemple égales entre elles, de sorte que leur somme soit sensiblement égale aux épaisseurs e2 et e4 pour ne pas engendrer de surépaisseurs notables. La liaison entre les éléments 130 et la bande 101 est réalisée avantageusement par couture de leurs zones marginales superposées, au moyen d'un fil de couture 140. La couture peut être réalisée par point noué ou par point de chaînette. D'autres modes de liaison peuvent être envisagés, tels que implantation de fils, comme décrit par exemple dans le document US 4 628 846, ou implantation d'aiguilles ou épingles, comme décrit dans le document WO97/06948, ou encore collage, la liaison étant complétée par co- densification des éléments constitutifs de la préforme fibreuse après leur assemblage. Les bandes 101 et 105 sont réalisées avantageusement par tissage tridimensionnel de type interlock avec épaisseur variable.
De préférence, comme déjà indiqué, la préforme fibreuse est réalisée en fibres en céramique, notamment en fibres SiC. Le tissage pourra alors être effectué avec un fil commercialisé par la société japonaise Ube Industries Ltd. sous la dénomination "Tyranno ZMI" ou un fil commercialisé par la société japonaise Nippon Carbon sous la dénomination "Nicalon". Afin de faciliter le tissage et éviter une détérioration du fil lors du tissage, un guipage par un fil en un matériau susceptible d'être éliminé ultérieurement sans affecter le fil en SiC pourra être réalisé, par exemple un guipage par un fil en alcool polyvinylique (PVA) éliminable par mise en solution dans de l'eau.
Les figures 13 à 15 montrent les armures de base utilisées avec un tel fil pour obtenir respectivement des tissus d'épaisseurs el = 3 mm environ, e2 = e4 = 1,5 mm environ et e3 = e5 = 0,75 mm environ, les fils de trame étant en coupe. 12
Un tissage tridimensionnel avec armure de type interlock est un tissage dans lequel chaque fil de chaîne relie entre elles plusieurs couches de fils de trame, les trajets des fils de chaîne étant identiques.
Le passage d'une épaisseur à une autre peut être réalisé de façon progressive avec enlèvement ou ajout de couches de fils de chaîne et de trame.
D'autres modes de tissage tridimensionnel peuvent être utilisés, par exemple des tissages multicouche avec armures de type multi-toile, multi-satin ou multi-sergé. De telles armures utilisables pour le tissage de textures fibreuses d'épaisseur évolutive sont décrites notamment dans le document PCT FR2006/050617.
Dans le cas où les fibres de la texture fibreuse sont en céramique, notamment en SiC, le fil de couture 140 peut être également en SiC, par exemple identique à celui utilisé pour la réalisation de la texture fibreuse. On pourrait tout aussi bien utiliser un fil de couture en carbone.
La figure 16 illustre une variante de réalisation selon laquelle l'assemblage des éléments 130 avec la bande 101 est effectué au moyen de bandes d'assemblage 150 qui recouvrent les zones marginales 104a, 134a et 106a, 136a, celles-ci étant disposées bord à bord et non superposées. Les bandes 150 sont découpées dans une texture fibreuse obtenue par exemple par tissage tridimensionnel et de même nature que la texture fibreuse de la bande 101 et des éléments 130. L'épaisseur des bandes d'assemblage est choisie pour ne pas engendrer de surépaisseurs notables. La liaison entre la bande 101 et les éléments 130 est réalisée par exemple par couture des bandes d'assemblage 150 sur les zones marginales 104a, 134a et 106a, 136a au moyen de fil de couture 160.
Après assemblage de la bande 101 avec les éléments 130, l'ensemble est conformé sur la forme 20 pour obtenir la préforme fibreuse désirée pour la structure à lobes à fabriquer. La zone 110 de la bande 101 est appliquée sur la partie annulaire 21 puis l'ensemble formé par la zone 120 de la bande 101 et les éléments 130 formant secteurs est appliqué sur la partie multilobée 22 de la forme 20 pour obtenir une partie préforme fibreuse correspondant à la jupe multilobée 12 de la structure à lobes. La conformation de la préforme fibreuse pourra être réalisée avec 13
l'assistance de clés de conformation 30 (figure 4) et/ou de la membrane 40 (figure 5).
La figure 17 montre partiellement la préforme fibreuse 100 de structure à lobes ainsi obtenue. La préforme 100 comprend une partie de préforme annulaire 111 correspondant à la partie annulaire 11 de la structure à lobes et formée par la conformation de la zone 110 de la bande 101 sur la partie annulaire 21 de la forme 20, et une partie 112 de préforme multilobée correspondant à la jupe multilobée 12 de la structure à lobes et formée par conformation sur la partie 22 de la forme 20. Dans l'exemple représenté par la figure 17, la préforme fibreuse 100 a été disposée sur la forme 20 de telle manière que les lignes de liaison 121 entre éléments constitutifs de la préforme (c'est-à-dire les zones marginales cousues le long des bords des incisions formées dans la bande 21) s'étendant le long des flancs des lobes 113 de la partie de préforme 112. Une telle disposition présente un avantage car, dans le mélangeur produit par assemblage de structures à lobes obtenues après densification de préformes 100, ces lignes de liaison se trouvent dans des zones du mélangeur les moins sollicitées mécaniquement.
En variante, les lignes de liaison entre éléments constitutifs de la préforme pourraient être disposées le long des sommets externes des lobes 113. Une telle disposition présente aussi un avantage car, dans le mélangeur finalement obtenu, les lignes de liaison se trouvent alors dans des zones du mélangeur exposées aux températures les moins élevées.
Dans un cas comme dans l'autre, les lignes de liaison s'étendent sensiblement dans le sens de l'écoulement du flux gazeux dans le mélangeur finalement obtenu de sorte que d'éventuelles irrégularités de surface induites par la présence des lignes de liaison ne peuvent perturber de façon significative l'écoulement de ce flux gazeux.
Les dimensions de la bande 101 et des éléments 130 formant secteurs sont bien entendu choisies pour obtenir une préforme 100 de forme correspondant à celle de la structure à lobes à fabriquer, compte étant éventuellement tenu d'un usinage éventuel final après densification de la préforme. Ainsi, la longueur de la bande 101 est choisie en fonction de la circonférence désirée pour la partie de préforme 111 tandis que la longueur de la bande 101 est choisie en fonction de la dimension voulue de la préforme 100 en direction axiale après formation des lobes 113. En 14
outre, les longueurs des côtés de base 132 des éléments 130 formant secteurs sont choisies pour compléter la longueur de la bande 101 afin d'obtenir une longueur totale correspondant à la développée de la couche formée par le bord d'extrémité aval de la partie de préforme 112. La figure 18 montre une variante de réalisation selon laquelle la bande 101 présente une épaisseur dans la partie de préforme 111 égale à celle de la partie de préforme 112 (hormis les zones marginales des incisions 102 qui ont une épaisseur réduite).
Le renforcement de l'épaisseur de la partie de préforme correspondant à la partie annulaire de la structure à lobes peut être assuré alors par ajout d'une strate fibreuse supplémentaire 107, par exemple de même nature que la bande 101. Comme le montrent les figures 19 et 20, la strate 107 a une largeur variable entre une première valeur correspondant sensiblement à celle de la zone 110, et une deuxième valeur supérieure de la première aux niveaux des incisions 102, de manière à recouvrir et renforcer les zones de naissance (ou de départ) des lobes 113 qui se situent aux niveaux des incisions 102.
La strate fibreuse supplémentaire 107 peut être liée à la bande 101 de la même manière que les éléments 130 par exemple par quelques points de couture, par implantation d'aiguilles ou épingles, ou encore par collage.
Un deuxième mode de réalisation de l'invention sera maintenant décrit en référence aux figures 21 à 26.
Selon ce deuxième mode de réalisation, la préforme fibreuse de structure à lobes est réalisée par assemblage et mise en forme d'une pluralité d'éléments constitutifs comprenant chacun un secteur d'au moins une strate constitutive d'une première partie de préforme correspondant à la partie annulaire de la structure à lobes et un secteur d'une deuxième partie de préforme correspondant à la jupe multilobée de la structure à lobes.
La figure 21 illustre schématiquement un tel élément constitutif 201 réalisé en une seule pièce de texture fibreuse avec deux parties 210 et 220 formant secteurs, la partie 220 s'étendant sur un angle β plus grand que l'angle α sur lequel s'étend la partie 210. 15
L'élément 201 présente une épaisseur constante e6 à l'exception de zones marginales 204a, 206a d'épaisseur réduite e7 le long de ses bords longitudinaux 204, 206, comme le montre la figure 22.
Plusieurs éléments 201 en forme de secteurs sont assemblés avec recouvrement mutuel des zones marginales s'étendant le long de leurs bords adjacents, ainsi que montré schématiquement par les figures 23 et 24. Les éléments 201 assemblés sont liés les uns aux autres par exemple par couture le long des zones marginales en recouvrement mutuel, en utilisant un fil de couture 240 éventuellement de même nature que la texture fibreuse constituant les éléments 201. D'autres modes d'assemblage, notamment implantation d'aiguilles ou épingles ou collage pourraient être utilisés. L'épaisseur e7 peut être choisie sensiblement égale à la moitié de l'épaisseur e6 pour ne pas engendrer de surépaisseur notable au niveau des recouvrements mutuels des zones marginales 204a, 206a.
On obtient alors un ensemble fibreux en forme générale de secteur de couronne avec une partie annulaire formée par la réunion des parties 210 formant secteurs d'anneau et une partie plissée (non développable) formée par la réunion des secteurs 220. Les éléments 201 constitutifs de la préforme fibreuse peuvent être réalisés par tissage tridimensionnel, par exemple de type interlock, avec les zones marginales de plus faible épaisseur comme décrit plus haut à propos du premier mode de réalisation de l'invention. Pour la réalisation des éléments 201, on peut utiliser des fils de même nature que celle mentionnée plus haut également à propos du premier mode de réalisation.
La figure 25 illustre une variante de réalisation selon laquelle l'assemblage des éléments 201 entre eux est effectué au moyen de bandes d'assemblage 250 qui recouvrent les zones marginales 204a, 206a disposées non pas en recouvrement mutuel, mais bord à bord. Les bandes 250 sont découpées dans une texture fibreuse obtenue par exemple par tissage tridimensionnel et de même nature que la texture fibreuse des éléments 201. L'épaisseur des bandes d'assemblage 250 peut être choisie pour ne pas engendrer de surépaisseur notable. La liaison entre les éléments 201 et les bandes d'assemblage 250 est réalisée par exemple par couture des bandes d'assemblage 250 sur les zones 16
marginales 204a, 206a au moyen de fil de couture 260. On pourrait aussi réaliser une liaison par implantation d'aiguilles ou épingles ou par collage.
Après assemblage et liaison mutuelle des éléments 201, l'ensemble est conformé sur la forme 20 pour obtenir la préforme désirée pour la structure à lobes à fabriquer. Les parties assemblées en forme de secteurs 210 sont appliquées sur la partie annulaire 21 de la forme 20 pour obtenir une strate constitutive de la partie de préforme 211 correspondant à la partie annulaire de la structure à lobes. Les parties assemblées en forme de secteurs 220 sont appliquées sur la partie multilobée 22 de la forme 20 éventuellement avec l'assistance des clés de conformation 30 ou de la membrane 40 pour obtenir une partie de préforme multilobée 212 correspondant à la jupe multilobée de la structure à lobes à fabriquer.
La figure 26 montre partiellement la préforme 200 de structure à lobes ainsi obtenue. Un renforcement de l'épaisseur de la partie de préforme 211 peut être assuré par ajout d'une strate fibreuse supplémentaire 207, par exemple de même nature que les éléments 201. Comme le montrent les figures 26 à 28, la strate 207 a une largeur variable entre une première valeur correspondant sensiblement à celle de la partie de préforme 210 et une deuxième largeur plus grande telle qu'elle s'étend jusqu'au niveau des zones de naissance (ou de départ) des lobes 213 de la préforme 200, afin de renforcer ces zones. Une autre strate supplémentaire 208 semblable à la strate 207 mais pouvant avoir une largeur constante correspondant à celle de la partie 210 peut être disposée de l'autre côté de la partie de préforme 211, la strate 208 étant disposée sur la partie annulaire 21 de la forme 20 avant application de l'ensemble des éléments 201 assemblés. Les strates 207 et 208 peuvent être liées aux parties 210 formant secteurs par exemple par des points de couture, implantation d'aiguilles ou épingles, ou collage. On notera que les éléments 201 pourront être réalisés avec une épaisseur plus importante au niveau des secteurs 210, de manière à obtenir directement une partie de préforme annulaire 211 de plus forte épaisseur, sans nécessiter l'ajout de strates supplémentaires.
La préforme fibreuse 200 est disposée sur la forme 20 lors de sa conformation de manière que les lignes d'assemblage entre les parties 220 formant secteurs soient situées de préférence le long des flancs des lobes 17
ou le long des sommets externes des lobes (comme sur la figure 26), pour les raisons indiquées plus haut à propos de la préforme 100.
Les dimensions des éléments 201 sont choisies pour obtenir une préforme 200 de structure à lobes de forme correspondant à celle de la structure à lobes à fabriquer, compte tenu, le cas échéant, d'un éventuel usinage final après densification de la préforme. En particulier, les parties 220 en forme de secteurs doivent s'étendre sur un angle β suffisamment grand pour permettre la formation des lobes 213 voulus.
Dans ce qui précède, on a envisagé de conférer une épaisseur réduite aux zones marginales des éléments constitutifs de la préforme fibreuse qui sont en recouvrement mutuel ou en recouvrement avec des bandes d'assemblage pour l'assemblage de la préforme. Cela n'est toutefois pas nécessaire, et l'on pourra ne pas réduire l'épaisseur des zones marginales en recouvrement dès lors que les surépaisseurs induites lors de l'assemblage des éléments constitutifs de la préforme n'affectent pas de façon significative le comportement aérodynamique du mélangeur finalement obtenu.
La préforme fibreuse 100 ou 200 peut être obtenue à partir d'éléments en texture fibreuse sèche (non pré-imprégnée) ou en texture fibreuse pré-imprégnée.
Dans le premier cas, avant densification de la préforme par une matrice au moins en partie en céramique, une étape préalable de consolidation de la préforme fibreuse par densification partielle par une matrice de consolidation peut être réalisée. Cette étape de consolidation peut consister à imprégner la préforme fibreuse par une composition liquide précurseur de céramique ou de carbone, par exemple une résine éventuellement diluée dans un solvant, puis à transformer le précurseur par traitement thermique après élimination du solvant éventuel et réticulation de la résine. Des précurseurs de SiC sont par exemple des résines de type polycarbosilane, polytitanocarbosilane, polysilazanes ou polysiloxanes tandis qu'un précurseur de carbone est par exemple une résine à taux de coke relativement élevé telle qu'une résine phénolique. Des processus de consolidation de préformes fibreuses sont décrits notamment dans les documents WO 2006/090087, FR 0654542 et US 5 846 379, incluant le cas échéant la formation d'un revêtement d'interphase entre fibres et matrice. Un tel revêtement d'interphase par 18
exemple en carbone pyrolytique ou en nitrure de bore (BN) pourrait aussi être formé préalablement sur la texture fibreuse utilisée pour les éléments constitutifs de la préforme ou après assemblage de ces éléments. La formation du revêtement d'interphase peut alors être obtenue par infiltration chimique en phase gazeuse.
En vue de sa consolidation, la préforme fibreuse sèche 100 ou 200 est conformée sur la forme 20 constituant une partie de moule mâle au moyen par exemple des clés de conformation 30 constituant des éléments de moule femelle. Les clés de conformation sont retirées et la membrane 40 est mise en place. L'imprégnation de la préforme fibreuse par le précurseur liquide de la matrice de consolidation est réalisée. L'imprégnation de la préforme peut être assistée par mise sous vide de l'espace entre la forme 20 et la membrane 40, la membrane pouvant alors être recouverte par un film étanche. Après séchage et réticulation de la résine, un traitement thermique de transformation par pyrolyse du précurseur résine en céramique ou carbone est réalisé et une préforme fibreuse consolidée partiellement densifiée par une matrice céramique ou carbone est obtenue. La préforme consolidée est fixée dans la forme voulue définie par la forme 20 et la membrane 40. L'utilisation de la préforme 40 en élastomère contribue à conférer un aspect de surface relativement lisse, atténuant des irrégularités telles que celles résultant des liaisons effectuées entre les éléments constitutifs de la préforme.
Dans le cas de l'utilisation d'une texture fibreuse pré-imprégnée, la pré-imprégnation peut être réalisée par une résine précurseur de céramique ou de carbone telle que celles mentionnées ci-avant, la résine pouvant être pré-polymérisée après élimination d'un solvant éventuel utilisé pour l'imprégnation.
La conformation de la préforme fibreuse obtenue par assemblage d'éléments en texture fibreuse pré-imprégnée est réalisée sur la forme 20 au moyen par exemple de la membrane 40. Le moulage de la préforme peut être assisté par application d'une pression différentielle et la résine est ensuite complètement réticulée.
Un traitement thermique de transformation par pyrolyse du précurseur résine en céramique ou en carbone est ensuite réalisé et une 19
préforme fibreuse consolidée partiellement densifiée par une matrice céramique ou carbone est obtenue.
Dans les deux cas, la densification de la préforme consolidée est poursuivie par formation d'une matrice céramique par exemple par infiltration chimique en phase gazeuse ou CVI ("Chemical Vapor Infiltration").
La matrice céramique peut être une céramique réfractaire, telle que SiC, ou, avantageusement, une matrice céramique "auto-cicatrisante". Une matrice céramique "auto-cicatrisante" est obtenue en réalisant au moins une phase constitutive de la matrice en un matériau capable, par passage à l'état visqueux dans un certain domaine de températures, de combler ou "cicatriser" des fissures s'étant formées dans la matrice notamment sous l'effet de cyclages thermiques. Des compositions ayant des propriétés "auto-cicatrisantes" sont notamment des compositions vitreuses, par exemple de type aluminosilicate, ou des compositions capables, sous l'effet d'une oxydation, de former des compositions vitreuses. Des phases de matrice en carbure de bore B4C ou en un système ternaire Si-B-C sont des précurseurs de compositions vitreuses.
On obtient après densification par la matrice céramique une structure à lobes en CMC telle que la structure 10 de la figure 29, formant un secteur de mélangeur à lobes.
Dans le cas d'une préforme fibreuse sèche, on notera que la consolidation de la préforme peut être réalisée non pas par voie liquide (imprégnation par un précurseur liquide de la matrice de consolidation suivie de réticulation et pyrolyse), mais par CVI. On utilise alors des éléments d'outillage rigide, forme 20 et clés de conformation 30, qui, tout en maintenant la préforme fibreuse dans la forme voulue, sont avantageusement multi-perforés pour favoriser l'accès de la phase gazeuse à la préforme. Dans l'exemple décrit, le mélangeur est obtenu par assemblage de trois secteurs. Bien entendu, le nombre de secteurs formant le mélangeur et constituant chacun une structure à lobes peut être différent de trois, les outillages servant à la réalisation des préformes étant adaptés aux formes des structures à lobes à réaliser. On pourra aussi réaliser un mélangeur 19 en CMC en une seule pièce par densification d'une préforme fibreuse complète d'un mélangeur. 20
Un tel mélangeur est représenté sur la figure 30. On utilisera alors pour la conformation de la préforme fibreuse une forme et une membrane ayant des formes correspondant à celle du mélangeur complet à obtenir. Dans le mode de réalisation des figures 6 à 12, les deux extrémités de la zone 120 de la bande de texture fibreuse 101 seront alors traitées comme des bords d'une incision et les deux extrémités de la zone 110 de la bande de texture fibreuse 101 seront assemblées par leurs zones marginales, de la même manière que pour l'assemblage des éléments constitutifs de la préforme, pour former un anneau complet. Ainsi, dans la description et les revendications, l'expression
"structure à lobes" doit être comprise comme désignant un mélangeur à lobes complet ou un secteur seulement d'un tel mélangeur.

Claims

21REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une structure à lobes de mélangeur de flux de turbine à gaz ayant une partie amont annulaire prolongée vers l'aval par une partie formant jupe multilobée ayant une pluralité de lobes répartis autour d'un axe longitudinal de la structure à lobes, le procédé comprenant ;
- la réalisation d'une préforme fibreuse en fibres réfractaires ayant une forme correspondant à celle de la structure à lobes à fabriquer, à partir de plusieurs éléments constitutifs en texture fibreuse qui sont assemblés entre eux et mis en forme au moyen d'un outillage de forme correspondant à celle de la structure à lobes à fabriquer pour obtenir une préforme fibreuse assemblée avec une première partie de préforme correspondant à la partie annulaire de la structure à lobes et une deuxième partie de préforme correspondant à la jupe multilobée de la structure à lobes, l'assemblage des éléments constitutifs de la préforme fibreuse étant au moins en partie réalisé le long de lignes de liaison qui s'étendent sensiblement dans le sens d'écoulement du flux au niveau de lobes de la partie de préforme de jupe multilobée, et - la densification de la préforme fibreuse mise en forme et assemblée, par une matrice au moins en partie en céramique.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'assemblage des éléments constitutifs de la préforme est réalisé par couture.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'assemblage des éléments constitutifs de la préforme est réalisé par implantation de fils, aiguilles ou épingles.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'assemblage des éléments constitutifs de la préforme est réalisé le long de lignes de liaison qui s'étendent sur les flancs de lobes de la deuxième partie de préforme correspondant à la jupe multilobée.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications là 3, dans lequel l'assemblage des éléments constitutifs de la préforme est réalisé le long de lignes de liaison qui s'étendent sur les sommets externes des lobes de la deuxième partie de préforme correspondant à la jupe multilobée. 22
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'assemblage des éléments constitutifs de la préforme est réalisé avec recouvrement de bords adjacents de ceux-ci.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'assemblage des éléments constitutifs de la préforme est réalisé par l'intermédiaire de bandes d'assemblage recouvrant les bords adjacents de ceux-ci.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les éléments constitutifs de la préforme sont réalisés avec une épaisseur réduite dans les zones en recouvrement de leurs bords adjacents.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les éléments constitutifs de la préforme fibreuse sont réalisés par tissage tridimensionnel.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les éléments constitutifs de la préforme fibreuse sont en fibres en céramique.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les éléments constitutifs de la préforme fibreuse sont en fibres en carbure de silicium.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant :
- la réalisation d'un élément en texture fibreuse en forme de bande, - la réalisation d'incisions à travers la bande, les incisions s'étendant depuis un côté de la bande, sensiblement perpendiculairement à ce côté et sur une distance inférieure à la largeur de la bande,
- la découpe d'éléments en forme de secteurs dans une texture fibreuse, - l'assemblage de chaque secteur avec la bande par liaison entre les bords du secteur et les bords d'une incision respective de la bande, chaque secteur étant ainsi inséré entre les bords d'une incision.
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel l'élément en forme de bande est réalisé par tissage tridimensionnel avec une épaisseur dans sa partie non incisée supérieure à son épaisseur dans sa partie incisée. 23
14. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la première partie de préforme correspondant à la partie annulaire de la structure à lobes est obtenue en superposant à l'élément en forme de bande au moins une strate annulaire supplémentaire en texture fibreuse.
15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel une strate annulaire supplémentaire recouvre des zones de départ des lobes de la deuxième partie de préforme correspondant à la jupe multilobée de la structure à lobes, au niveau des fonds des incisions formées dans l'élément en forme de bande.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant :
- la réalisation d'une pluralité d'éléments en texture fibreuse comprenant chacun un secteur d'au moins une première strate annulaire constitutive de la première partie de préforme correspondant à la partie annulaire de la structure à lobes et un secteur de la deuxième partie de préforme correspondant à la jupe multilobée du mélangeur, et
- l'assemblage des éléments au moins le long de bords adjacents des secteurs de la deuxième partie de préforme correspondant à la jupe multilobée.
17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel, pour former la première partie de préforme correspondant à la partie annulaire de la structure à lobes, on ajoute au moins une strate annulaire supplémentaire en texture fibreuse couvrant au moins les secteurs de la première strate annulaire.
18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel une strate sensiblement annulaire supplémentaire recouvre les zones de départs des lobes de la deuxième partie de préforme correspondant à la jupe multilobée, de manière à renforcer ces zones de départs des lobes.
19. Mélangeur de flux en CMC de turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il est obtenu par assemblage de plusieurs secteurs formant des structures à lobes fabriquées selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 18.
20. Mélangeur de flux en CMC de turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il est formé par une structure à lobes fabriquée selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 18. 24
21. Moteur aéronautique à turbine à gaz à double flux équipé d'un mélangeur de flux selon l'une quelconque des revendications 19 et 20.
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