WO2011070294A1 - Aube de turbine de turbomachine en composite a matrice ceramique avec evidements realises par usinage - Google Patents

Aube de turbine de turbomachine en composite a matrice ceramique avec evidements realises par usinage Download PDF

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Jean-Luc Soupizon
Nicolas Christian Triconnet
Nicolas Eberling-Fux
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Abstract

Aube (1) de turbine de turbomachine en composite à matrice céramique et procédé de fabrication d'une talle aube. Le pied (3) de l'aube (1) comprend une préforme (30) fibreuse unique densifiée comportant au moins un évidement (40, 50) réalisé par usinage, chaque point du pied (3) de l'aube étant situé à une distance d'une surface libre du pied (3) au plus égale à deux fois la distance maximale (Δ) de pénétration dans la préforme (30) des gaz de densification de cette préforme (30), et la partie distale du pied (30) de l'aube comportant une paroi distale (35) continue d'un seul tenant.

Description

AUBE DE TURBINE DE TURBOMACHINE EN COMPOSITE A MATRICE
CERAMIQUE AVEC EVIDEMENTS REALISES PAR USINAGE
La présente invention concerne une aube de turbine de turbomachine en composite à matrice céramique.
Un CMC est élaboré à partir d'une préforme fibreuse, et cette préforme est ensuite densifiée par diffusion d'un gaz dans la préforme. Par réaction de ce gaz avec les fibres de la préforme, il est produit un matériau céramique qui comble progressivement l'espace entre les fibres de la préforme. On obtient au final un CMC rigide dense.
Le mode de fabrication de pièces en composite à matrice céramique (CMC) limite l'épaisseur maximale d'une telle pièce. En effet, l'épaisseur de la pièce ne peut être supérieure à deux fois la distance maximale Δ de pénétration du gaz réactif (gaz de densification) dans la préforme fibreuse, puisque le gaz peut diffuser vers l'intérieur de la pièce à partir de chacune des faces opposées.
Par épaisseur d'une pièce (ou d'une partie d'une pièce) on entend la plus petite de ses dimensions. Dans le cas d'une aube 1, représentée schématiquement en figure 4, le corps 2 de l'aube s'étend en longueur (sa plus grande dimension) depuis sa tête 22 jusqu'à son pied 3 selon un axe longitudinal global AG. La largeur du corps 2 de l'aube 1 ou de son pied 3 est la seconde plus grande dimension de l'aube, mesurée selon la direction du bord de fuite au bord d'attaque de l'aube, selon un axe transversal global BG perpendiculaire à l'axe longitudinal global AQ. Pour chaque portion de l'aube, on définit de façon similaire un axe longitudinal local A et un axe transversal local B contenus dans le plan P tangent à la surface libre cette portion de l'aube. Les axes locaux A et B varient d'une portion à l'autre de l'aube 1 car l'aube 1 est vrillée. L'épaisseur de chaque portion de l'aube est mesurée selon la direction de l'axe C, qui est perpendiculaire au plan P et donc à la surface libre de cette portion. Pour la portion de l'aube considérée, l'épaisseur de cette portion en est toujours la plus petite dimension, comme illustré sur la figure 4.
On ne considère que les surfaces de portions de l'aube qui sont parallèles (ou sensiblement parallèles) à l'axe transversal global BG (c'est- à-dire que l'axe transversal local B est parallèle (ou sensiblement parallèle) à l'axe transversal global BG. La limitation sur l'épaisseur d'une pièce en CMC mentionnée plus haut n'est pas problématique dans la fabrication du corps 2 d'une aube 1, car ce corps 2 est d'épaisseur faible et toujours inférieure à deux fois la distance maximale Δ de pénétration du gaz de densification.
En revanche, le pied 3 de l'aube 1 a une épaisseur plus importante, car il doit avoir une forme en queue d'aronde de façon à pouvoir être solidarisé avec le disque portant les aubes, représenté en pointillés sur la figure 4, et à ne pas s'en détacher sous l'effet de la force centrifuge à laquelle l'aube est soumise en service.
Le pied 3 de l'aube ne peut donc pas être fabriqué à partir d'une préforme unique.
Pour remédier à ce problème, une solution connue consiste à fabriquer un insert 130 en CMC (ou autre matériau similaire, par exemple du SiC fritte) qui est inséré dans la partie centrale d'une préforme 30 du pied 3 de l'aube, séparant ainsi la préforme 30 en deux branches 31 et 32. L'insert 130 s'étend selon l'axe transversal B du pied de l'aube 1. Chaque branche 31 et 32 de la préforme 30 a ainsi une épaisseur minimale qui est inférieure à deux fois la distance maximale Δ de pénétration du gaz de densification. Pour chacune des branches 31 et 32, cette épaisseur est mesurée selon la direction de l'axe C pour cette branche, qui est perpendiculaire à la surface libre de cette branche.
En pratique, chaque branche 31 et 32 de la préforme 30 doit en fait avoir une épaisseur inférieure à la distance maximale Δ de pénétration du gaz de densification. En effet, l'insert 130 doit nécessairement être placé entre les branches 31 et 32 avant la densification de la préforme 30, car après sa densification la forme des branches 31 et 32 de la préforme 30 est figée, et un insert, qui est nécessairement rigide, ne pourrait alors plus être placé entre ces branches tout en étant en contact intime avec la surface de celles-ci. Donc la densification de la préforme 30 ne peut s'effectuer qu'avec l'insert 130 déjà placé dans l'espace entre ses branches 31 et 32, et par conséquent l'injection du gaz de densification ne peut s'effectuer que par la surface extérieure 315 de la branche 31 et par la surface extérieure 325 de la branche 32. Les surfaces extérieures 315 et 325 sont les surfaces de branches qui sont les plus éloignées du plan global PG de l'aube 1 et du pied 3 (c'est-à-dire le plan défini par les axes globaux de l'aube AG et BG). Dans certains cas, l'insert 130 a lui-même une épaisseur maximale qui est supérieure à la distance maximale de pénétration â du gaz de densifïcation nécessaire à sa propre fabrication, Cet insert 130 doit donc comporter lui-même en son centre un second insert de façon à ce que l'épaisseur de chaque portion de l'insert 130 soit inférieure à la distance maximale â de pénétration du gaz de densifïcation,
La limitation sur l'épaisseur des branches de la préforme 30 impose une fabrication plus complexe et plus coûteuse du pied 3 de l'aube 1. En effet le pied de l'aube comprend alors plusieurs éléments (la préforme 30 et l'insert 130, et éventuellement un second insert) qu'il faut fabriquer séparément puis assembler et densifier. De plus, le fait que le pied 3 de l'aube 1 ne soit pas constitué d'une préforme unique (un seul élément) mais de deux préformes ou plus réduit son intégrité structurelle. Egalement, la présence d'un insert restreint les possibilités de forme de la plateforme du disque portant l'aube, car, pour des raisons d'intégrité structurelle, l'insert ne doit pas couper la surface contenant le plan de la plateforme (la plateforme est la partie du disque qui se situe à l'interface entre le pied 3 et le corps 2 de l'aube 1 lorsque l'aube est insérée sur le disque).
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.
L'invention vise à proposer une aube dont le pied puisse être fabriquée à partir d'une préforme unique, et dont l'intégrité structurelle soit suffisante pour résister à la force centrifuge à laquelle elle est soumise en service.
Ce but est atteint grâce au fait que le pied de l'aube comprend une préforme fibreuse unique densifiée comportant au moins un évidement réalisé par usinage, chaque point du pied de l'aube étant situé à une distance d'une surface libre du pied au plus égale à deux fois la distance maximale de pénétration dans cette préforme des gaz de densifïcation de cette préforme, et la partie distale du pied de l'aube comportant une paroi continue s'étendant d'une extrémité à l'autre du pied de l'aube selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan global Pc dans lequel s'étend principalement cette aube.
Grâce à ces dispositions, la fabrication du pied de l'aube est simplifiée et est moins coûteuse, tout en conservant tes performances mécaniques par rapport à un pied d'aube avec insert. La plateforme du disque portant l'aube peut en outre avoir une forme plus libre, puisqu'il n'y a plus d'insert. De plus on réalise un gain de masse, puisque le pied de chaque aube comprend moins de matière.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une aube de turbine de turbomachine en composite à matrice céramique.
Selon l'invention, ce procédé comporte les étapes suivantes :
(a) On élabore une préforme fibreuse,
(b) On effectue un usinage de cette préforme de façon à réaliser dans cette préforme au moins un évidement, (c) On densifie cette préforme avec un gaz de densifi cation, ce ou ces évidements étant réalisés de telle sorte que chaque point du pied de l'aube est situé à une distance d'une surface libre du pied au plus égale à deux fois la distance maximale de pénétration dans cette préforme des gaz de densification de cette préforme, et que la partie distale du pied de l'aube comporte une paroi distale continue d'un seul tenant.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente en vue de face le pied d'une aube selon l'invention,
- la figure 2A représente en vue de face le pied d'une aube selon un autre mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2B est une coupe selon le plan BB du pied d'aube de la figure 2A,
- la figure 2C est une vue de dessous du pied d'aube de la figure
2k,
- la figure 3A est une vue de dessous du pied d'une aube selon un encore un autre mode de réalisation de l'invention,
- la figure 3B est une vue de dessous du pied d'une aube selon un encore un autre mode de réalisation de l'invention,
- la figure 4 représente en perspective une aube selon l'art antérieur.
Dans la description qui suit, les termes "interne" et "externe" indiquent la région du ou des évidements à l'intérieur de l'aube, et la région à l'extérieur de l'aube, respectivement. Les termes "supérieur" et "inférieur" indique les régions dirigées vers la tête de l'aube, et vers le pied de l'aube, respectivement.
La figure 1 montre le pied 3 d'une aube selon l'invention.
Pour réaliser ce pied 3, on élabore une préforme 30 fibreuse d'un seul tenant (par tissage ou tressage) dont la forme est sensiblement la forme finale du pied 3. La préforme 30 a ainsi une forme de queue d'aronde avec un tronc 33 qui prolonge selon l'axe longitudinal global AG le corps 2 de l'aube (représenté en pointillé) et qui s'évase à son extrémité selon la direction de l'axe transversal BG, perpendiculaire à l'axe longitudinal global AG, pour former une queue d'aronde. L'axe transversal global BG est perpendiculaire au plan de la figure 1.
Avant densification de cette préforme 30, on réalise un évidement dans la queue d'aronde de la préforme 30. En l'espèce, cet évidement est réalisé par perçage d'un trou traversant 40 dans la préforme 30 selon l'axe transversal global BG. La préforme 30 a ainsi une section dans un plan perpendiculaire à l'axe transversal BG qui est sensiblement constante, comme représenté sur la figure 1.
Après perçage du trou 40, la préforme 30 comprend une première branche 31 et une seconde branche 32, qui sont symétriques par rapport au trou 40 et au plan global Pc (plan défini par les axes globaux de l'aube AG et BG). La première branche 31 et la seconde branche 32 se rejoignent du côté du trou 40 qui est opposé au tronc 33 pour former une paroi distale 35 qui forme l'extrémité inférieure (distale) de la préforme 30.
Le trou 40 est donc, dans un plan perpendiculaire à l'axe transversal
BG, entièrement entouré par la préforme 30, et délimité par une face 44 qui est donc la face interne de la première branche 31, de la seconde branche 32, et de la paroi distale 35.
Ainsi, l'évidement 40 ne débouche pas sur la paroi distale 35 du pied 3 de l'aube 1.
La paroi distale 35 est d'un seul tenant, c'est-à-dire que la face externe 355 de la paroi distale 35 est un ensemble connexe au sens topologique.
Le fait que l'extrémité inférieure de la préforme 30, c'est-à-dire la partie distale du pied 3 de l'aube, forme la paroi distale 35 qui s'étend de la première branche 31 à la seconde branche 32, selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan global PG, permet de conférer au pied d'aube 3, une fois la préforme 30 densifiée, une rigidité suffisante et d'empêcher que la première branche 31 et la seconde branche 32 ne se rapprochent sous l'effet des efforts auxquels l'aube 1 est soumise en service.
Après perçage du trou 40, on densifie la préforme 30 en faisant diffuser un gaz réactif dans cette préforme 30. On fait diffuser le gaz réactif depuis la face externe 315 de la première branche 31, depuis la face externe 325 de la seconde branche 32, et depuis la face externe 355 de la paroi distale 35. De plus, grâce au trou 40, il est possible de faire diffuser le gaz réactif à partir de la face interne 44 de ces branches et de la paroi distale 35, c'est-à-dire par le trou 40. Chacune des deux branches 31 et 32, ainsi que la paroi distale 35, peuvent ainsi être d'une épaisseur égale à deux fois la distance maximale Δ de pénétration du gaz réactif, puisque le gaz réactif peut pénétrer par les deux faces opposées de ces parties (première branche 31, seconde branche 32, paroi distale 35).
Par exemple, la distance maximale Δ de pénétration des gaz de densification est comprise entre 2 et 4 mm.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention on réalise un ou plusieurs évidements qui s'étendent majoritairement dans un plan perpendiculaire à l'axe transversal global BG.
En l'espèce, comme représenté en figures 2A et 2B, on usine dans la préforme 30 trois évidements 50 depuis la face externe 355 de la paroi distale 35, centrés sur l'axe longitudinal global AG, et qui ne débouchent que sur cette face externe 355. L'axe transversal global BG est perpendiculaire au plan de la figure 2Α.
La figure 2B est une coupe du pied d'aube de la figure 2A en son milieu, selon le plan global PG.
Chaque évidement 50 est délimité d'une part par une face interne 55 dont la moitié est parallèle à la face externe 315 de la première branche 31, et l'autre moitié est parallèle à la face externe 325 de la seconde branche 32, de telle sorte l'épaisseur de la première branche 31 et de la seconde branche 32 au droit des évidements 50 est sensiblement constante. "Au droit d'un évidement" signifie "dans un plan perpendiculaire à l'axe transversal global BG et passant dans cet évidement". Chaque évidement 50 est délimité d'autre part par deux faces latérales 56 parallèles entre elles et perpendiculaires à l'axe transversal global BG.
Les évidements sont usinés de telle sorte que l'épaisseur de la première branche 31 et de la seconde branche 32 au droit des évidements 50 est égale au plus à deux fois la distance maximale Δ de pénétration du gaz réactif.
Les trois évidements 50 sont séparés les uns des autres selon l'axe transversal global BG par des parois 60. Les parois 60 ont une épaisseur (qui est mesurée selon l'axe transversal global BG) qui est égale au plus à deux fois la distance maximale Δ de pénétration du gaz réactif.
Ainsi, étant donné que le gaz réactif peut pénétrer dans la première branche 31 et la seconde branche 32 à la fois par la face interne 55, par les faces externes 315 et 325, et par les faces latérales 56, tous les points de la première branche 31 et la seconde branche 32 sont atteints par le gaz réactif. La densification de la préforme 30 est donc complète.
La partie distale du pied 3 de l'aube comporte plusieurs parois continues s'étendant de la première branche 31 à la seconde branche 32 selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan global PG, à savoir les parties distales 65 des parois 60. Ces parties distales 65 des parois 60 forment la paroi distale 35 du pied 3 de l'aube, et confèrent une rigidité suffisante au pied 3 de l'aube 1 une fois la préforme 30 densifiée.
Une fois ces évidements 50 usinés, la préforme est densifiée en faisant diffuser un gaz réactif.
La figure 2C montre une vue de dessous du pied 3 de l'aube 1, c'est- à-dire une vue de la face externe 355 de la paroi distale 35. Les trois évidements 50 débouchent sur la face externe 355 de la paroi distale 35.
La préforme 30 peut également présenter un évidement 40 réalisé par perçage selon l'axe transversal global BG (tel que représenté en figure 1) plus un ou plusieurs évidements 50 s'étendant essentiellement perpendiculairement à l'axe transversal global BG (tels que représentés en figures 2A, 2B, et 2C).
La préforme 30 peut présenter un ou plusieurs évidements autres que ceux décrits ci-dessus. D'une manière générale, ces évidements sont répartis de telle sorte que chaque point du pied 3 de l'aube est situé à une distance d'une surface libre du pied au plus égale à deux fois la distance maximale Δ de pénétration des gaz de densification dans cette préforme, de telle sorte que tous les parties de l'aube 1 sont atteintes par le ou les gaz de densification.
Les figures 3A et 3B montrent chacune une vue de la face externe 355 de la paroi distale 35 du pied 3 d'autres aubes 1 selon l'invention.
En figure 3A, le pied 3 comprend un seul évidement 50 central, qui est entièrement entouré par la face externe 355. La face externe 355 a donc une forme de rectangle dont le centre est l'évidement 50.
En figure 3B, le pied 3 comprend deux évidements 50, de telle sorte que la face externe 355 a sensiblement une forme de H, les parties supérieure et inférieure entre les barres du H étant formées par les deux évidements 50.
Dans les modes de réalisation des figures 2A, 2B, 2C, 3A, et 3B, les évidements 50 débouchent sur la face externe 355 de la paroi distale 35.
Dans tous les modes de réalisation de l'invention, la paroi distale 35 est d'un seul tenant, c'est-à-dire que la face externe 355 de la paroi distale 35 (dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe global AG) est un ensemble connexe au sens topologique (c'est-à-dire que la face externe 355 n'est pas en plusieurs parties mais en une seule partie).
Dans tous les modes de réalisation de l'invention, la partie distale du pied 30 de l'aube comporte une paroi distale 35 continue s'étendant d'une extrémité à l'autre du pied 3 de l'aube selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan global PG dans lequel s'étend principalement cette aube 1.
Par exemple, le ou les évidements ont une forme telle qu'ils sont, selon la direction du plan longitudinal global PG, rétrécis en leurs extrémités et enflés en leur partie médiane, comme cela est le cas pour l'évidement 40 de la figure 1 et les évidements 50 des figures 2A, 2B, 2C, 3A, et 3B.
Ainsi, les évidements sont essentiellement situés dans la région interne du pied 3 de l'aube 1. Par rapport à une aube selon l'art antérieur comportant un insert, les performances mécaniques d'une aube selon l'invention comportant un ou plusieurs évidements (40, 50) sont donc à peine affectées par la présence de ces évidements, car la région interne du pied 3 de l'aube 1 est moins sollicitée mécaniquement que la zone externe du pied 3 de l'aube 1. Dans tous les modes de réalisation de l'invention, des fibres de la préforme 30 sont coupées lors de la réalisation des évidements (40, 50). Cela n'est cependant pas gênant, car seules les portions de fibres éloignées des faces externes 315 et 325 sont coupées. Il est en effet important que ces faces externes, qui sont en contact avec le logement du disque aubagé et qui supportent donc les efforts en service, soient intacts.

Claims

REVENDICATIONS
1. Aube (1) de turbine de turbomachine en composite à matrice céramique caractérisée en ce que le pied (3) de l'aube (1) comprend une préforme (30) fibreuse unique densifiée comportant au moins un évidement (40, 50) réalisé par usinage, chaque point dudit pied (3) de l'aube étant situé à une distance d'une surface libre dudit pied (3) au plus égale à deux fois la distance maximale (Δ) de pénétration dans ladite préforme (30) des gaz de densification de cette préforme (30), et la partie distale dudit pied (30) de l'aube comportant une paroi distale (35) continue d'un seul tenant.
2. Aube (1) selon la revendication 1 caractérisée en ce que ladite distance maximale Δ de pénétration des gaz de densification est comprise entre 2 et 4 mm.
3. Aube (1) selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que ledit au moins un évidement (40, 50) a une forme telle qu'il est, selon la direction dudit plan longitudinal global (PG), rétréci en ses extrémités et enflé en sa partie médiane.
4. Aube (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que ledit au moins un évidement (40) ne débouche pas sur la face externe (355) de la paroi distale (35) dudit pied (3) de l'aube.
5. Aube (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que ledit au moins un évidement (50) débouche sur la face externe (355) de la paroi distale (35) dudit pied (3) de l'aube.
6. Procédé de fabrication d'une aube (1) de turbine de turbomachine en composite à matrice céramique caractérisée en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
(a) On élabore une préforme fibreuse (30),
(b) On effectue un usinage de ladite préforme (30) de façon à réaliser dans ladite préforme au moins un évidement (40, 50),
(c) On densifie ladite préforme (30) avec un gaz de densification, ledit au moins un évidement (40, 50) étant réalisé de telle sorte que chaque point dudit pied (3) de l'aube est situé à une distance d'une surface libre dudit pied (3) au plus égale à deux fois la distance maximale (Δ) de pénétration dans ladite préforme (30) des gaz de densification de cette préforme (30), et que la partie distale dudit pied (3) de l'aube comporte une paroi distale (35) continue d'un seul tenant.
7. Procédé de fabrication d'une aube (1) selon la revendication 6 caractérisé en ce que ledit au moins un évidement (40, 50) a une forme telle qu'il est, selon la direction dudit plan longitudinal global (PG), rétréci en ses extrémités et enflé en sa partie médiane.
8. Procédé de fabrication d'une aube (1) selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que ledit au moins un évidement (40) ne débouche pas sur la face externe (355) de la paroi distale (35) dudit pied (3) de l'aube.
9. Procédé de fabrication d'une aube (1) selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que ledit au moins un évidement (50) débouche sur la face externe (355) de la paroi distale (35) dudit pied (3) de l'aube.
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