WO2016030613A1 - Aube de redresseur en matériau composite pour moteur a turbine a gaz et son procédé de fabrication. - Google Patents

Aube de redresseur en matériau composite pour moteur a turbine a gaz et son procédé de fabrication. Download PDF

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compression
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Sébastien PAUTARD
Maxime Briend
Emilie TROUSSET
Patrick Dunleavy
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Snecma
Safran
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Definitions

  • the present invention relates to the general field of stator vanes for a gas turbine engine.
  • Examples of application of the invention are in particular the exit guide vanes (called OGVs for “Outlet Guide Vane”), the inlet guide vanes (called IGVs for “Inlet Guide Vane”), and the variable-pitch vanes. (called VSV for “Variable Stator Vane”) of an aerospace turbomachine.
  • OGVs exit guide vanes
  • IGVs inlet guide vanes
  • VSV variable-pitch vanes
  • stator vanes of an aeronautical gas turbine engine each have two platforms (inner and outer) which are attached to the vane. These stator vanes form rows of stationary vanes which guide the flow of gas passing through the motor at an appropriate speed and angle.
  • stator vanes are generally metallic, but it has become common practice to make them out of composite material in particular to reduce their mass. However, the manufacturing processes of the stator vanes of metal material or composite material have certain disadvantages.
  • stator vanes are typically obtained from foundry, which requires two different imprints, namely a permanent core which is expensive and time consuming to manufacture and requires a treatment against wear, and a sand core with binder which must be redone very frequently.
  • this type of stator blade requires a finishing phase by machining or chemical treatment to finalize the workpiece.
  • the rectifier vanes made of composite material they are most often produced by different manufacturing processes, such as, for example, the manual laminate / draping process, the injection molding process of a fibrous preform (RTM for "Resin”). Transfer Molding "), the liquid resin infusion process, the embroidery process, the thermo-compression process, etc.
  • Laminate / draping processes are expensive and are not, however, suitable for the manufacture of stator vanes that have small sizes or complex form factors.
  • the resin injection processes cause defects in the preform of the fibrous preform during its shaping or during its consolidation and present risks of inter-laminar delamination.
  • some of these manufacturing processes require the reporting of the platforms on the vane, which induces additional manufacturing costs.
  • stator vane made of composite material requires a metal foil on their leading edge to protect it against erosion, abrasion and the impact of foreign bodies.
  • shaping and assembly of the metal foil on the leading edge of the blade is an additional operation that is long and expensive.
  • a blade for a gas turbine engine comprising a blade of composite material having a fiber reinforcement densified by a matrix, the fibrous reinforcement being obtained from pre-impregnated long fibers and agglomerated in mat form, the blade being provided on at least one leading edge of a reinforcing strip, and at least one platform positioned at a radial end of the blade, the platform being made of composite material having a reinforcement matrix densified fibrous material, the fibrous reinforcement being obtained from long staple prepreg fibers.
  • the straightener blade according to the invention is remarkable in that it has a hybrid architecture composed of a mat vane formed by an agglomerate of long fibers pre-impregnated on the leading edge of which is assembled a reinforcing strip .
  • the term "mat” here means a set of filaments, staple fibers or base yarns, cut or not, and held together in the form of a tablecloth, carpet or billet.
  • the mat in long fibers for example discontinuous, makes it possible to give an overall stiffness to the straightener blade and the reinforcing strip accentuates the local stiffness in order to limit the bending of the straightener blade and to avoid unacceptable vibratory modes while limiting its deformation.
  • the long fiber mat structure also makes it possible to impart an isotropic structure and homogeneous mechanical properties in the plane of the blade.
  • the reinforcing strip may be positioned at the leading edge of the blade and cover at least partially one of the side faces of the blade.
  • This reinforcement strip makes it possible to produce a leading edge of composite material for blading, which is intended to protect it from problems of abrasion, erosion and the impact of foreign bodies.
  • the reinforcing strip also makes it possible to further accentuate the stiffness of the blade, and in particular in its thickness.
  • the lateral face of the vane not covered by the reinforcing strip is advantageously covered in part by another unidirectional fabric strip so as to limit stiffness and shrinkage asymmetries during the manufacture of the blade.
  • the reinforcing strip may be positioned at the leading edge of the blade and cover at least partially the two side faces of the blade. In this configuration, the reinforcing strip thus greatly increases the stiffness of the blade.
  • stator vane With the same architecture of the stator vane, it is possible, simply by modifying the width of the reinforcing strip, to make rectifier vanes of different categories, namely a stator vane with a purely aerodynamic solicitation, a vane. of non-structural straightener and a semi-structural straightener blade, while providing protection from the leading edge of its blade.
  • the reinforcing strip is positioned on the vane and on at least one connection fillet between the vane and the platform.
  • the straightener vane may further comprise a layer of viscoelastic material interposed between the vane and the reinforcing strip or positioned within the reinforcing strip.
  • a viscoelastic layer or patch
  • the reinforcing strip is made from the same unidirectional fabric or textile strip, or by a stack of several plies pre-impregnated with unidirectional fabric or carbon fiber textile (of type qualified as follows: M for Standard , IM for intermediate module, HR for high resistance, HM for high module) or fiberglass.
  • M Standard
  • IM intermediate module
  • HR high resistance
  • HM high module
  • fiberglass fiberglass
  • the width of this reinforcing strip and the type of carbon used will be a function of the forces experienced by the straightener blade.
  • a pre-impregnated fabric can thus be used with a weave pattern and / or a sequence of predefined pleats depending on the stiffness required for blading.
  • the preferred orientation may vary to facilitate its implementation on the blade.
  • said fabric or textile reinforcement having these glass fibers may slightly increase the stiffness but also serve as protection against abrasion and / or erosion and thus protect the dawn .
  • the constituent mats of the fibrous reinforcements of the vane and the platform are made from strips of carbon fiber.
  • the size of these strips (length and width) and the type of carbon used will depend on the solicitations of the vane.
  • the invention also relates to a turbomachine comprising at least one stator blade as defined above.
  • the subject of the invention is also a process for manufacturing a stator blade as defined above, comprising successively: the positioning of the reinforcing strip and fibers long pre-impregnated and agglomerated mats in cavities of a compression tool for the realization of the fibrous reinforcements constituting the vane and the platform, the closure of the compression tooling, the compression of the mats and the band reinforcement by regulating the temperature and the closing pressure of the compression tooling to obtain a transformation of the composite used, the opening of the compression tooling, and the demolding of the stator blade obtained.
  • the method of manufacturing a stator vane as defined above comprises successively: the positioning of the reinforcing strip and long fibers pre-impregnated and agglomerated in mats in cavities of a compression tool for the realization of the fibrous reinforcement constituting the blading, the closure of the compression tooling, the compression of the mats and the reinforcing strip by regulating the temperature and the closing pressure of the compression tooling to obtain a transformation of the composite used, the opening of the compression tooling, the demolding of the blade obtained, and the overmolding of a platform previously made on the blade by a resin injection process under pressure.
  • the method of manufacturing a stator blade as defined above comprises successively: the positioning of the reinforcement strip and long fibers pre-impregnated and agglomerated in mats in cavities of a compression tool for the realization of the fibrous reinforcement constituting the blading, the closure of the compression tooling, the compression of the mats and the reinforcement strip by regulating the temperature and the closing pressure of the compression tooling to obtain a transformation of the composite used, the opening of the compression tooling, the demolding of the blade obtained, and gluing on the blading of a previously made platform.
  • FIG. 1 is a perspective view of a stator blade according to the invention
  • FIGS. 2A and 2B are views of the stator blade of Figure 1, respectively in cross-section and in longitudinal section;
  • FIG. 3 to 6 are cross-sectional views of the stator vanes according to alternative embodiments of the invention.
  • the invention applies to the realization of stator vanes for a gas turbine engine having a leading edge.
  • stator vanes are in particular the exit guide vanes (OGV), the inlet guide vanes (IGV), and the variable-pitch vanes (VSV), etc.
  • FIG. 1 schematically and in perspective shows an example of such a stator vane 2.
  • the stator vane 2 comprises a vane 4 having a lower face 4a and an extrados face 4b, an inner platform 6 assembled on an inner radial end of the vane, and an outer platform 8 assembled on the outside. outer radial end of the vane.
  • the blading 4 is made of composite material with a fiber reinforcement densified by a matrix, the fibrous reinforcement being obtained from pre-impregnated long fibers, for example discontinuous, and agglomerated in the form of "mat" (that is to say in the form of a sheet, a carpet or a slug made from the agglomeration of these fibers).
  • matrix that is to say in the form of a sheet, a carpet or a slug made from the agglomeration of these fibers.
  • the inner 6 and outer 8 platforms are made of composite material with a fiber reinforcement also obtained from long prepreg fibers, for example discontinuous, and agglomerated in the form of mat.
  • the leading edge of the blade 4 is formed by a reinforcing strip 10-1 unidirectional fabric (UD) or pre-impregnated textile , this reinforcing strip being positioned on the blade at the edge and at least on the connecting fillet 12 between the vane and the inner 6 and outer 8 platforms.
  • the reinforcing strip may not cover these connection fillet.
  • the reinforcing strip 10-1 extends only over the connection fillets 12 between the vane and the inner and outer platforms 6 and 8.
  • the reinforcing strip 10-2 can extend both on these connection fillets, but also on the platforms 6, 8.
  • the reinforcing strip may be directly embedded in the thickness of the platforms 6, 8. This solution avoids delamination between the reinforcing strip and the constituent mat platforms during holes and countersinks of the latter for their attachment to the housing.
  • the reinforcing strip 10-1 may have a so-called “simple” positioning in which it is positioned only on the leading edge of the blade 4.
  • the reinforcing strip 10-3 has an asymmetrical positioning in which it covers not only the leading edge of the blade, but also partly one of the side faces of the blade (ie here the intrados face 4a). This configuration increases the stiffness of the blade, which improves its resistance to stress and its protection against erosion.
  • the reinforcing strip 10-4 has a symmetrical positioning in which it covers not only the leading edge of the blade 4, but also partly the two side faces of the blade (ie the intrados faces 4a and extrados 4b). Compared with the present variant, this configuration makes it possible to further increase the stiffness of the blade and to avoid post-manufacturing deformations.
  • the shape of the reinforcing strip is not necessarily rectangular: for example it may be in the form of wave so as to respond to the problems of deformation along the trailing edge at the same frequency.
  • the reinforcing strip 10-5 has an asymmetrical positioning in which it covers the leading edge and in part the extrados face 4b of the blading 4.
  • the lateral face vane which is not covered by the reinforcing strip namely the intrados face 4a
  • another strip 14 also unidirectional fabric or pre-impregnated textile.
  • this additional strip 14 makes it possible to limit the asymmetries of stiffness and shrinkage / deformation during the manufacture of the blade.
  • the width of this band 14 will be a function of the amount of deformation experienced during the manufacture of the blade.
  • the stator vane 2 further comprises a layer of viscoelastic material 16 which is interposed between the vane 4 and the reinforcing strip 10-6.
  • This layer (or patch) 16 is in the example shown in Figure 6 positioned at the intrados face 4a of the blade and covered by the reinforcing strip 10-6, the latter may have a symmetrical positioning in which it partially covers the intrados and extrados faces of the vane.
  • this layer of viscoelastic material 16 thus makes it possible to respond to vibratory, acoustic or damping problems encountered by the straightener blade. Indeed, this layer allows the absorption of energy, of frequencies and attenuates the vibratory modes in order to thus limit the vibrations and the deformations that the stator vane undergoes in operation.
  • the layer of viscoelastic material 16 may be interposed between the blading and the reinforcing strip. Alternatively, it can be positioned within the reinforcing strip, that is to say, be added between two successive folds constituting the reinforcing strip.
  • the viscoelastic material used will be of the elastomer, rubber, etc. type.
  • a first manufacturing process is called "thermocompression”. It allows to realize a stator blade according to the invention which is monobloc.
  • thermo-compression requires a compression tooling consisting of a carcass in which are reported the cavities (or cavities) of the stator blade to be manufactured and optionally provided with an ejection system for extracting the part manufactured. These impressions are thermally regulated to bring the injected resin to its melting temperature and thus "transform" the mat.
  • a first step of this process consists in carrying out the fibrous reinforcement intended for performing the blading and the platforms of the stator blade.
  • pre-impregnated strips are cut in a unidirectional fabric or textile web, typically made of carbon fibers, the dimensions (length and width) and the type of carbon used for these strips being depending on the level of stiffness desired in the stator vane.
  • the strips may have a width of between 4 and 15 mm and a length of between 4 and 150 mm, or even 2 mm in width and / or length.
  • the long fibers may be continuous or discontinuous before transformation depending on the chosen injection method.
  • the staple fibers will have a length of substantially between 2 mm and 100 mm depending on the size of the granule comprising the resin.
  • These fibers are often discontinuous or may be continuous depending on the topology of the part, the fiber volume ratio present in the resin, the process used, transformation process parameters, rheological phenomena and / or interaction between fibers. . These fibers will retain their initial lengths or will be broken during the dynamic phase corresponding to filling to present a final fiber length distribution substantially between 0.1 mm and 100 mm.
  • These strips of carbon fibers are then agglomerated in carpet or piece to form a mat.
  • This solution makes it easy to handle these strips before positioning in the compression tooling.
  • a simple cluster of strips can also be created (then positioned, "injected” and inserted into the compression tooling).
  • the superimposition and positioning of the strips within the mat is random but with a repetitive pattern if possible to allow a reproducibility of the stator blade.
  • the mat will have an isotropic structure to allow to obtain homogeneous mechanical properties in the plane.
  • the shape of the mat it depends on the complexity of the stator blade to manufacture (size, thickness, shape evolution, etc.).
  • the fibrous reinforcement for the realization of the platforms of the stator blade can be made with the same mat as that for performing the blading.
  • the mat may be pre-polymerized, typically up to 20-50%, prior to its positioning in the cavities of the compression tooling, this pre-polymerization thus making it possible to preserve resin for the cohesion between the strips and the reinforcing tape.
  • this pre-polymerization thus making it possible to preserve resin for the cohesion between the strips and the reinforcing tape.
  • the mat may be pre-polymerized to 30%.
  • the method of manufacturing by thermo-compression consists in creating the reinforcing strip.
  • UD fabric or textile typically carbon fiber
  • the reinforcing strip may be made by stacking several plies pre-impregnated with UD fabric or textile, also made of carbon fibers.
  • the reinforcing strip and the mat for producing the fibrous reinforcements constituting the vane and the platforms thus produced are positioned in the cavities of the compression tooling.
  • the mat for the realization of the fibrous reinforcement of the vane will be positioned at first in a cavity of the compression tooling with the reinforcing strip, then the mat for the realization of the platforms will be positioned in a second time.
  • they can be positioned at the same time in the same compression tooling.
  • they can be positioned at the same time in the same compression tool to undergo pre-consolidation prior to their positioning in the final compression tooling.
  • the resin used for the pre-impregnated strips may be a thermosetting resin belonging to the family of epoxides, bismaleimides, polyimides, polyesters, vinlyesters, cyanate esters, phenolics, etc.
  • the resin may be a thermoplastic resin of the phenylene polysulfide (PPS), polysulfone (PS), polyethersulfone (PES), polyamide-imide (PAI), polyetherimide (PEI) or polyaryletherketone (PAEK) family : PEK, PEKK, PEEK, PEKKEK, etc.
  • the closure of the compression tooling causes a compression of the mats and the reinforcement band placed inside it, which allows the mats to get into shape in the cavities of the compression tooling.
  • This compression step may be carried out either by the closure of the compression tool or by the displacement of moving cores present inside the compression tooling.
  • a resin conversion and polymerization i.e., baking for a thermosetting resin and cooling for a thermoplastic resin.
  • thermosetting resin it is advantageous to use a first specific heating cycle close to the melting temperature of the resin with controlled temperature ramps for shaping the mats, followed by a second heating cycle also controlled for the consolidation / crosslinking / polymerization of the resin. This allows for the shaping and the cohesive / adhesive aspect of the mats and the reinforcing strip.
  • this second cycle will consist of a cooling cycle in order to reach the ejection temperature of the part and thus well crystallize / polymerize the semi-crystalline or amorphous polymers in order to obtain optimal mechanical properties and to limit residual stresses and post-injection deformations.
  • the thermal regulation of the compression tooling can be carried out by any known means of regulation, for example by the use of heating cartridges, by regulation under water or oil, by an induction heating system, etc.
  • the compression tooling is then opened and the rectifier blade thus obtained is extracted (by means of an ejection system or manually or automatically by a gripper).
  • a second method of manufacturing the stator blade applies the previously described thermo-compression method for obtaining the vane of the stator vane (without the platforms), followed by a step of overmolding the platforms previously performed on the grinding by a process of injection of resin under pressure.
  • the method of manufacturing the trimming by thermo-compression is thus strictly identical to that described above.
  • the bladed composite material thus produced is then placed in an injection mold to perform an overmoulding of the weft for producing the platforms using a thermoplastic or thermosetting resin (possibly filled).
  • this overmolding method provides for a dynamic phase of filling the cavity of the injection mold by injection of resin under pressure, followed by a switching phase, then a static phase of compaction / maintenance and a phase solidification or crosslinking / baking of the injected resin. After solidification of the resin, the injection mold is opened and the part (blading with its overmolded platforms) is ejected.
  • a third method of manufacturing the stator blade applies the previously described thermo-compression method for obtaining the vane of the stator vane with possibly the platforms, a known injection process for the manufacture of the platforms. (if necessary), then a gluing step on the blading of the platforms. This bonding step may be performed by known methods such as ultrasonic bonding, glue removal, etc.

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Abstract

L'invention concerne une aube de redresseur (2) pour moteur à turbine à gaz, comprenant un aubage (4) en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, le renfort fibreux étant obtenu à partir de fibres longues pré-imprégnées et agglomérées sous forme de mat, l'aubage étant muni sur au moins un bord d'attaque d'une bande de renfort (10-1), ladite bande de renfort étant réalisée à partir d'une même bande de tissu unidirectionnel ou de textile, ou par un empilement de plusieurs plis pré-imprégnés de tissu unidirectionnel ou de textile en fibres de carbone ou en fibres de verre, et au moins une plateforme (6, 8) positionnée à une extrémité radiale de l'aubage, la plateforme étant en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, le renfort fibreux étant obtenu à partir de fibres longues pré-imprégnées. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle aube.

Description

Aube de redresseur en matériau composite pour moteur à turbine à gaz et son procédé de fabrication
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des aubes de redresseur pour moteur aéronautique à turbine à gaz.
Des exemples d'application de l'invention sont notamment les aubes directrices de sortie (appelées OGV pour « Outlet Guide Vane »), les aubes directrices d'entrée (appelées IGV pour « Inlet Guide Vane »), et les aubes à calage variable (appelées VSV pour « Variable Stator Vane ») d'une turbomachine aéronautique.
Typiquement, les aubes de redresseur d'un moteur aéronautique à turbine à gaz présentent chacune deux plateformes (intérieure et extérieure) qui sont rapportées sur l'aubage. Ces aubes de redresseur forment des rangées d'aubes fixes qui permettent de guider le flux gazeux traversant le moteur selon une vitesse et un angle appropriés.
Les aubes de redresseur sont généralement métalliques mais il est devenu courant de les réaliser en matériau composite notamment pour en diminuer la masse. Or, les procédés de fabrication des aubes de redresseur en matériau métallique ou en matériau composite présentent certains inconvénients.
En particulier, pour les aubes de redresseur métalliques, les outillages à utiliser pour leur fabrication sont coûteux et longs à réaliser. En effet, ces aubes de redresseur sont typiquement obtenues de fonderie, ce qui nécessite deux empreintes différentes, à savoir un noyau permanent qui est coûteux et long à fabriquer et requiert un traitement contre l'usure, et un noyau sable avec agglomérant qui doit être refait très fréquemment. De plus, ce type d'aube de redresseur nécessite une phase de finition par usinage ou par traitement chimique pour finaliser la pièce.
Quant aux aubes de redresseur en matériau composite, elles sont le plus souvent réalisées par des procédés de fabrication différents, tels que par exemple le procédé manuel de stratifié/drapage, le procédé de moulage par injection d'une préforme fibreuse (RTM pour « Resin Transfer Moulding »), le procédé par infusion de résine liquide, le procédé de brodage, le procédé de thermo-compression, etc. Les procédés par stratifié/drapage sont coûteux et ne sont cependant pas adaptées à la fabrication des aubes de redresseur qui ont des petites tailles ou des facteurs de forme complexes. Les procédés par injection de résine entraînent des défauts de décadrage de la préforme fibreuse pendant sa mise en forme ou pendant sa consolidation et présentent des risques de délaminage inter laminaire. De plus, certains de ces procédés de fabrication nécessitent de rapporter les plateformes sur l'aubage, ce qui induit des coûts de fabrication supplémentaires.
Par ailleurs, les aubes de redresseur en matériau composite nécessitent de rapporter un clinquant métallique sur leur bord d'attaque afin de protéger celui-ci contre l'érosion, l'abrasion et l'impact de corps étrangers. Or, la mise en forme et l'assemblage du clinquant métallique sur le bord d'attaque de l'aubage est une opération supplémentaire qui est longue et coûteuse.
Objet et résumé de l'invention
Il existe donc un besoin de pouvoir disposer d'une aube de redresseur qui ne présente pas les inconvénients liés aux procédés de fabrication mentionnés ci-dessus.
Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à une aube pour moteur à turbine à gaz, comprenant un aubage en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, le renfort fibreux étant obtenu à partir de fibres longues pré-imprégnées et agglomérées sous forme de mat, l'aubage étant muni sur au moins un bord d'attaque d'une bande de renfort, et au moins une plateforme positionnée à une extrémité radiale de l'aubage, la plateforme étant en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, le renfort fibreux étant obtenu à partir de fibres longues discontinues préimprégnées.
L'aube de redresseur selon l'invention est remarquable en ce qu'elle présente une architecture hybride composée d'un aubage en mat réalisé par un agglomérat de fibres longues pré-imprégnées sur le bord d'attaque duquel est assemblée une bande de renfort. On entend ici par « mat » un ensemble de filaments, de fibres discontinues ou de fils de base, coupés ou non, et maintenus ensemble sous forme de nappe, de tapis ou de lopin. En particulier, le mat en fibres longues, par exemple discontinues, permet de donner une raideur globale à l'aube de redresseur et la bande de renfort accentue la raideur locale afin de limiter la flexion de l'aube de redresseur et d'éviter les modes vibratoires rédhibitoires tout en limitant sa déformée. La structure de mat en fibres longues permet également de conférer une structure isotrope et des propriétés mécaniques homogènes dans le plan de l'aube.
Ainsi, une telle architecture présente de nombreux avantages par rapport aux architectures connues de l'art antérieur, notamment en termes de raideur et de coût et de facilité de fabrication. De plus, par le choix des matériaux utilisés et du procédé de fabrication employé, cette architecture présente une grande modularité relative à la topologie de l'aube de redresseur en fonction des sollicitations mécaniques et du positionnement dans le moteur.
La bande de renfort peut être positionnée au niveau du bord d'attaque de l'aubage et recouvrir au moins en partie l'une des faces latérales de l'aubage.
Cette bande de renfort permet de réaliser pour l'aubage un bord d'attaque en matériau composite qui est destiné à le protéger des problèmes d'abrasion, d'érosion et d'impact de corps étrangers. Dans cette configuration qui recouvre au moins en partie l'une des faces latérales de l'aubage, la bande de renfort permet également d'accentuer davantage la raideur de l'aubage, et notamment dans son épaisseur.
Toujours dans cette configuration, la face latérale de l'aubage non recouverte par la bande de renfort est avantageusement recouverte en partie par une autre bande en tissu unidirectionnel de façon à limiter les dissymétries de raideur et de retrait lors de la fabrication de l'aubage.
Alternativement, la bande de renfort peut être positionnée au niveau du bord d'attaque de l'aubage et recouvrir au moins en partie les deux faces latérales de l'aubage. Dans cette configuration, la bande de renfort permet ainsi de fortement accentuer la raideur de l'aubage.
Ainsi, avec une même architecture d'aube de redresseur, il est possible, simplement en modifiant la largeur de la bande de renfort, de réaliser des aubes de redresseur de différentes catégories, à savoir une aube de redresseur à sollicitation purement aérodynamique, une aube de redresseur non structurelle et une aube de redresseur semi-structurelle, tout en réalisant une protection du bord d'attaque de son aubage.
De préférence, la bande de renfort est positionnée sur l'aubage et sur au moins un congé de raccordement entre l'aubage et la plateforme.
L'aube de redresseur peut comprendre en outre une couche de matériau viscoélastique interposée entre l'aubage et la bande de renfort ou positionnée au sein de la bande de renfort. La présence d'une telle couche (ou patch) viscoélastique permet de répondre aux problématiques vibratoires, acoustiques ou d'amortissements que subit l'aube de redresseur.
La bande de renfort est réalisée à partir d'une même bande de tissu unidirectionnel ou de textile, ou par un empilement de plusieurs plis pré-imprégnés de tissu unidirectionnel ou de textile en fibres de carbone (de type qualifié comme suit : M pour Standard, IM pour module intermédiaire, HR pour haute résistance, HM pour haut module) ou en fibres de verre. En particulier, la largeur de cette bande de renfort et le type de carbone utilisé seront fonction des efforts subis par l'aube de redresseur. Un tissu pré-imprégné pourra ainsi être utilisé avec un motif de tissage et/ou une séquence de plis prédéfinis en fonction de la raideur demandée pour l'aubage. En particulier, dans le cas d'un renfort textile, l'orientation privilégiée pourra varier pour faciliter sa mise en œuvre sur l'aubage. Concernant le mode de réalisation présentant des fibres de verre, ledit renfort à tissu ou textile ayant ces fibres de verre pourra augmenter légèrement la raideur mais aussi faire office de protection à l'abrasion et/ou à l'érosion et ainsi protéger l'aube.
De préférence, les mats constitutifs des renforts fibreux de l'aubage et de la plateforme sont réalisés à partir de bandelettes en fibres de carbone. La taille de ces bandelettes (longueur et largeur) et le type de carbone utilisé seront fonction des sollicitations de l'aubage.
L'invention a également pour objet une turbomachine comprenant au moins une aube de redresseur telle que définie précédemment.
L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'une aube de redresseur telle que définie précédemment, comprenant successivement : le positionnement de la bande de renfort et de fibres longues pré-imprégnées et agglomérées en mats dans des cavités d'un outillage de compression pour la réalisation des renforts fibreux constitutifs de l'aubage et de la plateforme, la fermeture de l'outillage de compression, la compression des mats et de la bande de renfort en régulant la température et la pression de fermeture de l'outillage de compression pour obtenir une transformation du composite utilisé, l'ouverture de l'outillage de compression, et le démoulage de l'aube de redresseur obtenue.
Selon une alternative, le procédé de fabrication d'une aube de redresseur telle que définie précédemment comprend successivement : le positionnement de la bande de renfort et de fibres longues préimprégnées et agglomérées en mats dans des cavités d'un outillage de compression pour la réalisation du renfort fibreux constitutif de l'aubage, la fermeture de l'outillage de compression, la compression des mats et de la bande de renfort en régulant la température et la pression de fermeture de l'outillage de compression pour obtenir une transformation du composite utilisé, l'ouverture de l'outillage de compression, le démoulage de l'aubage obtenu, et le surmoulage d'une plateforme préalablement réalisée sur l'aubage par un procédé d'injection de résine sous pression.
Selon une autre alternative, le procédé de fabrication d'une aube de redresseur telle que définie précédemment comprend successivement : le positionnement de la bande de renfort et de fibres longues pré-imprégnées et agglomérées en mats dans des cavités d'un outillage de compression pour la réalisation du renfort fibreux constitutif de l'aubage, la fermeture de l'outillage de compression, la compression des mats et de la bande de renfort en régulant la température et la pression de fermeture de l'outillage de compression pour obtenir une transformation du composite utilisé, l'ouverture de l'outillage de compression, le démoulage de l'aubage obtenu, et le collage sur l'aubage d'une plateforme préalablement réalisée.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en perspective d'une aube de redresseur selon l'invention ;
- les figures 2A et 2B sont des vues de l'aube de redresseur de la figure 1, respectivement en coupe transversale et en coupe longitudinale ; et
- les figures 3 à 6 sont des vues en coupe transversale d'aubes de redresseur selon des variantes de réalisation de l'invention.
Description détaillée de l'invention
L'invention s'applique à la réalisation d'aubes de redresseur pour moteur aéronautique à turbine à gaz ayant un bord d'attaque.
Des exemples non limitatifs de telles aubes de redresseur sont notamment les aubes directrices de sortie (OGV), les aubes directrices d'entrée (IGV), et les aubes à calage variable (VSV), etc.
La figure 1 représente de façon schématique et en perspective un exemple d'une telle aube de redresseur 2.
De façon connue en soi, l'aube de redresseur 2 comprend un aubage 4 ayant une face intrados 4a et une face extrados 4b, une plateforme intérieure 6 assemblée sur une extrémité radiale intérieure de l'aubage, et une plateforme extérieure 8 assemblée sur l'extrémité radiale extérieure de l'aubage.
Selon l'invention, l'aubage 4 est réalisé en matériau composite avec un renfort fibreux densifié par une matrice, le renfort fibreux étant obtenu à partir de fibres longues pré-imprégnées, par exemple discontinues, et agglomérées sous forme de « mat » (c'est-à-dire sous forme d'une nappe, d'un tapis ou d'un lopin réalisé à partir de l'agglomération de ces fibres). La fabrication d'un tel aubage sera décrite ultérieurement.
De même, les plateformes intérieure 6 et extérieure 8 sont réalisées en matériau composite avec un renfort fibreux obtenu également à partir de fibres longues pré-imprégnées, par exemple discontinues, et agglomérées sous forme de mat.
Par ailleurs, toujours selon l'invention et comme illustré sur les figures 2A et 2B, le bord d'attaque de l'aubage 4 est formé par une bande de renfort 10-1 en tissu unidirectionnel (UD) ou en textile pré-imprégné, cette bande de renfort étant positionnée sur l'aubage au niveau du bord d'attaque et au moins sur les congés de raccordement 12 entre l'aubage et les plateformes intérieure 6 et extérieure 8. Eventuellement, la bande de renfort peut ne pas recouvrir ces congés de raccordement.
Dans la partie gauche de la figure 2B, la bande de renfort 10-1 s'étend seulement sur les congés de raccordement 12 entre l'aubage et les plateformes intérieure 6 et extérieure 8. Alternativement, comme représenté sur la partie droite de la figure 2B, la bande de renfort 10-2 peut s'étendre à la fois sur ces congés de raccordement, mais également sur les plateformes 6, 8.
Par ailleurs, dans un autre mode de réalisation non représenté sur les figures, la bande de renfort peut être directement noyée dans l'épaisseur des plateformes 6, 8. Cette solution permet d'éviter tout délaminage entre la bande de renfort et le mat constitutif des plateformes lors des perçages et lamages de ces dernières pour leur fixation sur le carter.
De plus, comme représenté sur la figure 2A, la bande de renfort 10-1 peut présenter un positionnement dit « simple » dans lequel elle est positionnée uniquement sur le bord d'attaque de l'aubage 4.
Selon une variante représentée sur la figure 3, la bande de renfort 10-3 présente un positionnement asymétrique dans lequel elle recouvre non seulement le bord d'attaque de l'aubage, mais également en partie l'une des faces latérales de l'aubage (à savoir ici la face intrados 4a). Cette configuration permet d'augmenter la raideur de l'aubage, ce qui améliore sa résistance aux sollicitations et sa protection à l'érosion.
Selon une autre variante représentée sur la figure 4, la bande de renfort 10-4 présente un positionnement symétrique dans lequel elle recouvre non seulement le bord d'attaque de l'aubage 4, mais également en partie les deux faces latérales de l'aubage (à savoir les faces intrados 4a et extrados 4b). Par rapport à la présente variante, cette configuration permet d'augmenter davantage la raideur de l'aubage et d'éviter les déformations post-fabrication.
On notera que plus le recouvrement des faces latérales de l'aubage par la bande de renfort sera élevé, plus grande sera la raideur conférée à l'aubage.
On notera également que la forme de la bande renfort n'est pas nécessairement rectangulaire : par exemple elle peut être en forme de vague de façon à répondre aux problématiques de déformation le long du bord de fuite à une même fréquence.
Selon encore une autre variante représentée sur la figure 5, la bande de renfort 10-5 présente un positionnement asymétrique dans lequel elle recouvre le bord d'attaque et en partie la face extrados 4b de l'aubage 4. De plus, la face latérale de l'aubage qui est non recouverte par la bande de renfort (à savoir la face intrados 4a) est recouverte en partie par une autre bande 14 également en tissu unidirectionnel ou en textile pré-imprégné.
La présence de cette bande additionnelle 14 permet de limiter les dissymétries de raideur et de retrait/déformation lors de la fabrication de l'aubage. En particulier, la largeur de cette bande 14 sera fonction de l'importance de la déformation subie lors de la fabrication de l'aubage.
Selon encore une autre variante représentée sur la figure 6, l'aube de redresseur 2 comprend en outre une couche de matériau viscoélastique 16 qui est interposée entre l'aubage 4 et la bande de renfort 10-6. Cette couche (ou patch) 16 est dans l'exemple représentée sur la figure 6 positionnée au niveau de la face intrados 4a de l'aubage et recouverte par la bande de renfort 10-6, cette dernière pouvant présenter un positionnement symétrique dans lequel elle recouvre en partie les faces intrados et extrados de l'aubage.
La présence de cette couche de matériau viscoélastique 16 permet ainsi de répondre aux problématiques vibratoires, acoustiques ou d'amortissement que rencontre l'aube de redresseur. En effet, cette couche permet l'absorption d'énergie, de fréquences et atténue les modes vibratoires afin de limiter ainsi les vibrations et les déformations que l'aube de redresseur subit en fonctionnement.
La couche de matériau viscoélastique 16 peut être interposée entre l'aubage et la bande de renfort. Alternativement, elle peut être positionnée au sein de la bande de renfort, c'est-à-dire être ajoutée entre deux plis successifs constituant la bande de renfort.
A titre d'exemple, le matériau viscoélastique utilisé sera de type élastomère, caoutchouc, etc.
On décrira maintenant différents procédés de fabrication de l'aube de redresseur conforme à l'invention. Un premier procédé de fabrication est dit de « thermocompression ». Il permet de réaliser une aube de redresseur selon l'invention qui est monobloc.
Ce procédé de fabrication par thermo-compression nécessite un outillage de compression composé d'une carcasse dans laquelle sont rapportées les empreintes (ou cavités) de l'aube de redresseur à fabriquer et muni éventuellement d'un système d'éjection pour extraire la pièce fabriquée. Ces empreintes sont thermiquement régulées pour amener la résine injectée à sa température de fusion et ainsi « transformer » le mat.
Une première étape de ce procédé consiste à réaliser le renfort fibreux destiné à la réalisation de l'aubage et des plateformes de l'aube de redresseur. A cet effet, des bandelettes (ou « chips ») pré-imprégnées sont découpés dans une bande dé tissu unidirectionnel ou de textile, typiquement en fibres de carbone, les dimensions (longueur et largeur) et le type de carbone utilisé pour ces bandelettes étant fonction du niveau de raideur souhaité dans l'aube de redresseur. Par exemple, les bandelettes pourront avoir une largeur comprise entre 4 et 15 mm et une longueur comprise entre 4 et 150 mm, voire 2 mm de largeur et/ou de longueur.
Les fibres longues pourront être continues ou discontinues avant transformation en fonction du procédé d'injection choisi. Les fibres discontinues présenteront une longueur comprise sensiblement entre 2 mm et 100 mm en fonction de la taille du granulé comprenant la résine.
Ces fibres sont souvent discontinues ou peuvent être continues en fonction de la topologie de la pièce, du taux volumique de fibre présent dans la résine, du procédé utilisé, de paramètres de processus de transformation, de phénomènes rhéologiques et/ou d'interaction entre fibres. Ces fibres conserveront leurs longueurs initiales ou bien seront cassées pendant la phase dynamique correspondant au remplissage pour présenter une distribution de longueur de fibre finale sensiblement comprise entre 0,1 mm et 100 mm.
Ces bandelettes de fibres de carbone sont alors agglomérées en tapis ou lopin pour former un mat. Cette solution permet de facilement manipuler ces bandelettes avant le positionnement dans l'outillage de compression. Un simple amas de bandelettes peut également être créé (puis positionné, « injecté » et inséré dans l'outillage de compression). La superposition et le positionnement des bandelettes au sein du mat est aléatoire mais avec si possible un motif réitérable pour permettre une reproductibilité de l'aube de redresseur. De préférence, le mat présentera une structure isotrope pour permettre d'obtenir des propriétés mécaniques homogènes dans le plan. Quant à la forme du mat, elle dépend de la complexité de l'aube de redresseur à fabriquer (taille, épaisseur, évolution de forme, etc.).
On notera que le renfort fibreux destiné à la réalisation des plateformes de l'aube de redresseur peut être réalisé avec le même mat que celui destiné à la réalisation de l'aubage. Alternativement, on pourra choisir pour les plateformes un mat dans lequel le rapport de forme (longueur/largeur des bandelettes de fibres de carbone) est plus faible que pour l'aubage. En effet, celles-ci sont moins sollicitées que l'aubage.
On notera également que le mat pourra être pré-polymérisé, typiquement jusqu'à 20-50%, avant son positionnement dans les cavités de l'outillage de compression, cette pré-polymérisation permettant ainsi de conserver de la résine pour la cohésion entre les bandelettes et la bande de renfort. Ainsi, intervient un effet qualifié de "lessivage" (ou "wash out") correspondant à une migration de la résine autour du renfort. En exemple pour de la résine de famille époxy, le mat pourra être pré-polymérisé à 30%.
Parallèlement à l'étape de création de ces mats, le procédé de fabrication par thermo-compression consiste à créer la bande de renfort.
Celle-ci est réalisée par une même bande de tissu UD ou de textile, typiquement en fibres de carbone, qui est découpée par exemple sous une forme rectangulaire. Alternativement, la bande de renfort peut être réalisée par un empilement de plusieurs plis pré-imprégnés de tissu UD ou de textile, également en fibres de carbone.
A l'étape suivante du procédé, la bande de renfort et le mat pour la réalisation des renforts fibreux constitutifs de l'aubage et des plateformes ainsi réalisés sont positionnés dans les cavités de l'outillage de compression.
Si deux types de mat sont utilisés, le mat pour la réalisation du renfort fibreux de l'aubage sera positionné dans un premier temps dans une cavité de l'outillage de compression avec la bande de renfort, puis le mat pour la réalisation des plateformes sera positionné dans un second temps. Alternativement, ils pourront être positionnés en même temps dans un même outillage de compression. Encore alternativement, ils pourront être positionnés en même temps dans un même outillage de compression pour y subir une pré-consolidation préalablement à leur positionnement dans l'outillage de compression final.
L'outillage de compression est alors fermé. La résine utilisée pour les bandelettes pré-imprégnées pourra être une résine thermodurcissable appartenant à la famille des époxydes, bismaléimides, polyimides, polyesters, vinlyesters, cyanate esters, phénoliques, etc. Alternativement, la résine pourra être une résine thermoplastique du type polysulfure de phénylène (PPS), polysulfone (PS), polyéthersulfone (PES), polyamide-imide (PAI), polyétherimide (PEI), ou bien de la famille des polyaryléthercétones (PAEK) : PEK, PEKK, PEEK, PEKKEK, etc.
La fermeture de l'outillage de compression entraîne une compression des mats et de la bande de renfort placés à l'intérieur de celui-ci, ce qui permet aux mats de se mettre en forme dans les cavités de l'outillage de compression. Cette étape de compression pourra être réalisée, soit par la fermeture de l'outillage de compression, soit par le déplacement de noyaux mobiles présents à l'intérieur de l'outillage de compression.
De façon concomitante à l'étape de compression, il est prévu de réguler la température de l'outillage de compression pour obtenir une transformation et une polymérisation de la résine (c'est-à-dire une cuisson pour une résine thermodurcissable et un refroidissement pour une résine thermoplastique).
Plus précisément, dans le cas d'une résine thermodurcissable, il est avantageux de recourir à un premier cycle de chauffage spécifique proche de la température de fusion de la résine avec des rampes de températures contrôlées pour la mise en forme des mats, suivi d'un deuxième cycle de chauffage également contrôlé pour la consolidation/réticulation/polymérisation de la résine. Ceci permet de réaliser la mise en forme et l'aspect cohésif/adhésif des mats et de la bande de renfort.
Dans le cas d'une résine thermoplastique, ce deuxième cycle sera constitué d'un cycle de refroidissement afin d'atteindre la température d'éjection de la pièce et ainsi bien cristalliser/polymériser les polymères semi-cristallins ou amorphes afin d'obtenir des propriétés mécaniques optimales et de limiter les contraintes résiduelles et les déformations post-injection.
La régulation thermique de l'outillage de compression pourra être réalisée par tout moyen connu de régulation, par exemple par l'utilisation de cartouches chauffages, par une régulation sous eau ou huile, par un système de chauffage par induction, etc.
A l'issue de cette étape, l'outillage de compression est alors ouvert et l'aube de redresseur ainsi obtenue est extraite (par l'intermédiaire d'un système d'éjection ou manuellement ou de façon automatique par un préhenseur).
Un deuxième procédé de fabrication de l'aube de redresseur applique le procédé de thermo-compression précédemment décrit pour l'obtention de I'aubage de l'aube de redresseur (sans les plateformes), suivi d'une étape de surmoulage des plateformes préalablement réalisées sur I'aubage par un procédé d'injection de résine sous pression.
Le procédé de fabrication de I'aubage par thermo-compression est ainsi strictement identique à celui décrit ci-avant.
L'aubage en matériau composite ainsi réalisé est ensuite placé dans un moule d'injection pour effectuer un surmoulage de I'aubage pour la réalisation des plateformes à l'aide d'une résine thermoplastique ou thermodurcissable (éventuellement chargée).
On pourra se référer à la demande de brevet française n°13 57485 déposée le 29 juillet 2013 par la société SAFRAN qui décrit un procédé d'assemblage par surmoulage d'un bord d'attaque métallique sur une aube en matériau composite. Dans son principe, ce procédé peut être appliqué pour réaliser le surmoulage des plateformes en matériau composite sur I'aubage en matériau composite de l'aube de redresseur selon l'invention.
Brièvement, ce procédé de surmoulage prévoit une phase dynamique de remplissage de la cavité du moule d'injection par injection de résine sous pression, suivie d'une phase de commutation, puis d'une phase statique de compactage/maintien et d'une phase de solidification ou réticulation/cuisson de la résine injectée. Après solidification de la résine, le moule d'injection est ouvert et la pièce (aubage avec ses plateformes surmoulées) est éjectée. Un troisième procédé de fabrication de l'aube de redresseur applique le procédé de thermo-compression précédemment décrit pour l'obtention de l'aubage de l'aube de redresseur avec éventuellement les plateformes, un procédé d'injection connu pour la fabrication des plateformes (le cas échéant), puis une étape de collage sur l'aubage des plateformes. Cette étape de collage pourra être réalisée par des procédés connus tels que par collage par ultrasons, dépose de colle, etc.

Claims

REVENDICATIONS
1. Aube de redresseur (2) pour moteur à turbine à gaz, comprenant :
un aubage (4) en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, le renfort fibreux étant obtenu à partir de fibres longues pré-imprégnées et agglomérées sous forme de mat, l'aubage étant muni sur au moins un bord d'attaque d'une bande de renfort (10-1 à 10-6), ladite bande de renfort étant réalisée à partir d'une même bande de tissu unidirectionnel ou de textile, ou par un empilement de plusieurs plis pré-imprégnés de tissu unidirectionnel ou de textile en fibres de carbone ou en fibres de verre ; et
au moins une plateforme (6, 8) positionnée à une extrémité radiale de l'aubage, la plateforme étant en matériau composite ayant un renfort fibreux densifié par une matrice, le renfort fibreux étant obtenu à partir de fibres longues pré-imprégnées.
2. Aube de redresseur selon la revendication 1, dans laquelle la bande de renfort (10-3 ; 10-5) est positionnée au niveau du bord d'attaque de l'aubage et recouvre au moins en partie l'une des faces latérales de l'aubage.
3. Aube de redresseur selon la revendication 2, dans laquelle la face latérale de l'aubage non recouverte par la bande de renfort (10-5) est recouverte en partie par une autre bande (14) en tissu unidirectionnel de façon à limiter les dissymétries de raideur et de retrait lors de la fabrication de l'aubage.
4. Aube de redresseur selon la revendication 1, dans laquelle la bande de renfort (10-4) est positionnée au niveau du bord d'attaque de l'aubage et recouvre au moins en partie les deux faces latérales de l'aubage.
5. Aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la bande de renfort est positionnée sur l'aubage et sur au moins un congé de raccordement (12) entre l'aubage et la plateforme.
6. Aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre une couche de matériau viscoélastique (16) qui est interposée entre l'aubage et la bande de renfort ou qui est positionnée au sein de la bande de renfort.
7. Aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle les mats constitutifs des renforts fibreux de l'aubage et de la plateforme sont réalisés à partir de bandelettes en fibres de carbone.
8. Turbomachine comprenant au moins une aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
9. Procédé de fabrication d'une aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant successivement :
le positionnement de la bande de renfort et de fibres longues pré-imprégnées et agglomérées en mats dans des cavités d'un outillage de compression pour la réalisation . des renforts fibreux constitutifs de l'aubage et de la plateforme ;
la fermeture de l'outillage de compression ;
la compression des mats et de la bande de renfort en régulant la température et la pression de fermeture de l'outillage de compression pour obtenir une transformation du composite utilisé ;
l'ouverture de l'outillage de compression ; et
le démoulage de l'aube de redresseur obtenue.
10. Procédé de fabrication d'une aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant successivement :
le positionnement de la bande de renfort et de fibres longues pré-imprégnées et agglomérées en mats dans des cavités d'un outillage de compression pour la réalisation du renfort fibreux constitutif de l'aubage ;
la fermeture de l'outillage de compression ;
la compression des mats et de la bande de renfort en régulant la température et la pression de fermeture de l'outillage de compression pour obtenir une transformation du composite utilisé ;
l'ouverture de l'outillage de compression ;
le démoulage de l'aubage obtenu ; et
le surmoulage d'une plateforme préalablement réalisée sur l'aubage par un procédé d'injection de résine sous pression.
11. Procédé de fabrication d'une aube de redresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant successivement :
le positionnement de la bande de renfort et de fibres longues pré-imprégnées et agglomérées en mats dans des cavités d'un outillage de compression pour la réalisation du renfort fibreux constitutif de l'aubage ;
la fermeture de l'outillage de compression ;
la compression des mats et de la bande de renfort en régulant la température et la pression de fermeture de l'outillage de compression pour obtenir une transformation du composite utilisé ;
l'ouverture de l'outillage de compression ;
le démoulage de l'aubage obtenu ; et
le collage sur l'aubage d'une plateforme préalablement réalisée.
PCT/FR2015/052237 2014-08-27 2015-08-20 Aube de redresseur en matériau composite pour moteur a turbine a gaz et son procédé de fabrication. WO2016030613A1 (fr)

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