WO2021116086A1 - Procédé de fabrication d'une aube de compresseur - Google Patents

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manufacturing
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Definitions

  • the invention relates to a method of manufacturing a compressor blade.
  • the invention aims to parameterize a forging operation.
  • the invention relates to the dimensioning of a die intended for the manufacture of the vane.
  • Compressor blades from forging can have residual stresses and can deform when they cool. Thus, despite manufacturing operations which initially aim to obtain the blade in its nominal dimensions, there remains a certain variability in the final dimensions of the blades.
  • the aim of the invention is to overcome at least one of the drawbacks of the method described above. More particularly, the present invention aims to make it possible to obtain parts of desired dimensions without requiring an additional operation.
  • the subject of the invention is a method of manufacturing a vane for a turbomachine compressor, the vane comprising a blade and a root of thickness much greater than that of the blade, the method comprising the following steps: determining deformation and / or residual stresses of the blade during and after each operation of the manufacturing process, the operations comprising a forging operation and possibly one of the following operations: burr cutting, cooling and / or heat treatment; the integration of the deformation and / or the residual stresses thus determined for the parameterization of the forging operation, in particular according to a comparison between the deformation and / or the determined residual stresses and a deformation and / or nominal residual stresses, the parameterization comprising the sizing of a manufacturing tool, in particular the sizing of the die used for the forging operation; and carrying out the forging operation thus configured.
  • the deformation and / or the residual stresses of the blade are determined when the die is at the nominal dimensions of the blade, then the dimensions of the die are corrected as a function of the deformation and / or of the residual stresses thus determined.
  • the sizing of the matrix is carried out by iterations.
  • the deformation comprises the torsion of the blade about at least one axis of the blade.
  • This torsional deformation can be critical for a blade, in particular the sweep angle of which must correspond as well as possible to the nominal values in order to properly direct the flow of the air flow.
  • the determination of the deformation and / or of the residual stresses takes into account the rheological properties of the material constituting the blade, these properties comprising in particular: the relaxed and non-relaxed elastic moduli as well as the times relaxation, Poisson's ratio, coefficient of thermal expansion, coefficient of humidity expansion, thermal conductivity.
  • the forging operation is a precision forging operation.
  • precision forging is meant a forging operation that is precise enough to achieve the dimensions and surface condition required for the finished part, without the need for subsequent rework by machining or grinding.
  • the precision forging operation is integrated into a forging range comprising, before said precision forging operation, an extrusion operation of a round rough, followed by an operation of repression.
  • the blade is made of a forgeable alloy, in particular an alloy of titanium or nickel.
  • the invention also relates to an aircraft turbojet compressor comprising at least one rotor or stator blade produced at least in part by the manufacturing process according to one of the embodiments described above.
  • the measures of the invention are interesting in that they make it possible to eliminate the step of straightening out nonconforming blades.
  • the process of the invention makes it possible to obtain blades directly conforming to the nominal dimensions without requiring experimentation on long and expensive forging dies. Industrialization is therefore cheaper and faster.
  • FIG. 1 illustrates a compressor blade obtained by the method according to the invention
  • FIG. 2 represents the method of the invention.
  • FIG. 1 represents a compressor blade 1.
  • the vane 1 can be a stator vane or a rotor vane of an axial turbomachine. It can be made of titanium alloy of the TA6V type, of inconel or any other nickel alloy or any other alloy suitable for undergoing a forging operation. Dimensions and thicknesses are not shown to scale and the blade is only shown schematically.
  • vane 1 has a foot 2 designed to assemble vane 1 to a ferrule or drum.
  • foot 2 has a dovetail for this purpose.
  • a blade 4 extends mainly in a longitudinal direction A which can substantially be a radial direction of the turbomachine.
  • the direction indicated as B is substantially parallel to the dawn chord.
  • the blade 4 has an intrados side 5 and an extrados side 6 which guide the air flow.
  • the invention aims to anticipate this twist to manufacture a blade which, despite its deformation, will suit the desired dimensions.
  • Foot 2 is more massive than blade 4, the thickness of foot 2 (measured radially, that is to say vertically in Figure 1) can be 5 to 30 times greater than the thickness of blade 4 (measured circumferentially, that is to say horizontally in Figure 1).
  • the root 2 deforms negligibly compared to the deformation of the blade 4.
  • the foot 2 Whether from a mechanical point of view or from a thermal point of view, the foot 2 therefore acts as stable boundary conditions over time. By choosing to ignore this tiny deformation of the foot and the tiny residual stresses in resulting, it is therefore possible to save computer resources during the simulation: the part to be simulated is smaller; the mesh is more homogeneous on the blade 4 alone than on the entire blade 1; the variations in dimensions and residual stresses are continuous on the blade 4.
  • Figure 2 depicts a diagram of the process according to the invention.
  • the geometry of the blade, its nominal dimensions and its nominal mechanical properties are defined.
  • the manufacturing parameters are determined according to the dimensions and nominal residual stresses. For example a form of matrix very close to the nominal dimensions can be chosen.
  • the manufacturing parameters determined here may also include machine parameters during the forging operation: speed, temperature, die material, etc.
  • step 300 a calculation algorithm is performed to determine, from the manufacturing parameters of step 200, the consequences on the part obtained. Numerical simulation makes it possible to obtain these results, in particular by taking into account the rheological properties of the material making up the blade.
  • the calculated dimensions and mechanical properties 400 are compared, in a step 500, with the nominal mechanical dimensions and properties.
  • the manufacturing parameters are modified in a step 600. For example, if it is calculated that the obtained vane has been deformed in torsion by an angle greater than a given threshold angle, the corresponding dimensions of the matrix are adjusted accordingly.
  • the algorithm is performed again, and the loop is repeated until the deviation becomes less than the given threshold. Once this threshold is reached, the manufacturing parameters are maintained (step 700).
  • the iterations can be of a given predefined number without convergence criterion.
  • the geometry of the matrix thus determined can be confirmed by experimental tests. This modeling makes it possible to avoid the multiplication of real prototyping tests with different manufacturing parameters or trial and error with the use of several dies, since in practice only one or two prototypes will be produced.
  • the algorithm carried out in step 300 includes a certain number of calculation steps, and can take into account several physical phenomena, linked to the various successive manufacturing operations (extrusion, upsetting, precision forging, etc.).

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Abstract

L'invention a trait à un procédé de fabrication d'une aube de compresseur de turbomachine, comprenant les étapes suivantes: détermination de la déformée et/ou des contraintes résiduelles de la pièce pendant et après chaque opération du processus de fabrication, les opérations comprenant une opération de forge et éventuellement l'une des opérations suivantes: découpe de bavure, refroidissement et/ou traitement thermique; intégration de la déformée et/ou des contraintes résiduelles ainsi déterminée(s) pour le paramétrage de l'opération de forge, notamment en fonction d'une comparaison entre la déformée et/ou les contraintes résiduelles déterminées et une déformée et/ou des contraintes résiduelles nominales; et réalisation de l'opération de forge ainsi paramétrée. L'invention porte également sur un compresseur comprenant une aube réalisée au moins en partie par le procédé de fabrication de l'invention.

Description

PROCÉDÉ DE FABRICATION D’UNE AUBE DE COMPRESSEUR
Description Domaine technique
L’invention a trait à un procédé de fabrication d’une aube de compresseur. En particulier, l’invention vise à paramétrer une opération de forge. Plus particulièrement, l’invention porte sur le dimensionnement d’une matrice destinée à la fabrication de l’aube.
Technique antérieure
Les aubes de compresseur issues de forge peuvent présenter des contraintes résiduelles et peuvent se déformer lors de leur refroidissement. Ainsi, malgré des opérations de fabrications qui visent initialement à obtenir l’aube dans ses dimensions nominales, il demeure une certaine variabilité dans les dimensions finales des aubes.
Afin d’obtenir des aubes de compresseur aux dimensions nominales, il est parfois nécessaire de redresser l’aube après son opération de forge. Ce redressement peut être fait de façon plus ou moins maîtrisée et nécessite d’être complétée par un contrôle non destructif, voire un recuit, pour s’assurer que le redressement n’a pas affecté les propriétés mécaniques de l’aube.
Ces opérations représentent un coût et un besoin en main d’œuvre, et sont sources de rebuts.
Résumé de l’invention
Problème technique
L’invention a pour objectif de pallier au moins l’un des inconvénients de la méthode décrite ci-dessus. Plus particulièrement, la présente invention vise à permettre une obtention de pièces de dimensions souhaitées sans nécessiter d’opération supplémentaire.
Solution technique
L’invention a pour objet un procédé de fabrication d’une aube de compresseur de turbomachine, l’aube comprenant une pale et un pied d’épaisseur très supérieure à celle de la pale, le procédé comprenant les étapes suivantes : la détermination de la déformée et/ou des contraintes résiduelles de la pale pendant et après chaque opération du processus de fabrication, les opérations comprenant une opération de forge et éventuellement l’une des opérations suivantes : découpe de bavure, refroidissement et/ou traitement thermique ; l’intégration de la déformée et/ou des contraintes résiduelles ainsi déterminée(s) pour le paramétrage de l’opération de forge, notamment en fonction d’une comparaison entre la déformée et/ou les contraintes résiduelles déterminées et une déformée et/ou des contraintes résiduelles nominales, le paramétrage comprenant le dimensionnement d’un outillage de fabrication, notamment le dimensionnement de la matrice employée pour l’opération de forge ; et la réalisation de l’opération de forge ainsi paramétrée.
La détermination de la déformée et des contraintes résiduelles est effectuée par simulation numérique. Compte tenu du nombre de variables prises en compte, il est impossible d’effectuer ces prédictions sans l’assistance de moyens informatiques appropriés. On choisira notamment la simulation par éléments finis avec - ce n’est qu’un exemple - un maillage thermique du type C3D8 et un maillage mécanique du type C3D20.
Il est possible d’effectuer la méthode avec moins de ressources informatiques lorsqu’on considère la partie massive de l’aube (le pied) comme des conditions limites invariables en dimension et en thermique, et ainsi en limitant le calcul uniquement à la pale, d’épaisseur bien plus fine que le pied, et donc déformable.
Selon un mode avantageux de l’invention, la déformée et/ou les contraintes résiduelles de la pale sont déterminées lorsque la matrice est aux dimensions nominales de la pale, puis les dimensions de la matrice sont corrigées en fonction de la déformée et/ou des contraintes résiduelles ainsi déterminées.
Selon un mode avantageux de l’invention, le dimensionnement de la matrice est réalisé par itérations.
Selon un mode avantageux de l’invention, la déformée comprend la torsion de la pale autour d’au moins un axe de l’aube. Cette déformation en torsion peut être critique pour une pale dont notamment l’angle de sweep doit correspondre au mieux aux valeurs nominale pour bien diriger l’écoulement du flux d’air. Selon un mode avantageux de l’invention, la détermination de la déformée et/ou des contraintes résiduelles prend un compte les propriétés rhéologiques du matériau constituant l’aube, ces propriétés comprenant notamment : les modules élastiques relaxés et non-relaxés ainsi que les temps de relaxation associés, les coefficients de Poisson, le coefficient de dilatation thermique, le coefficient de dilatation d’humidité, la conductivité thermique.
Selon un mode avantageux de l’invention, l’opération de forge est une opération de forge de précision. Par « forge de précision », on entend une opération de forge qui est suffisamment précise pour obtenir les dimensions et l’état de surfaces requis pour la pièce finie, sans nécessité de retouches ultérieures par usinage ou rectification.
Selon un mode avantageux de l’invention, l’opération de forge de précision est intégrée dans une gamme de forge comprenant, avant ladite opération de forge de précision, une opération d’extrusion d’un brut rond, suivie d’une opération de refoulement.
Selon un mode avantageux de l’invention, l’aube est en alliage forgeable, notamment alliage de titane ou de nickel.
L’invention a également trait à un compresseur de turboréacteur d’aéronef comprenant au moins une aube rotorique ou statorique réalisée au moins en partie par le procédé de fabrication selon l’un des modes de réalisation exposés ci-dessus.
Avantages de l’invention
Les mesures de l’invention sont intéressantes en ce qu’elles permettent d’éliminer l’étape de redressement des aubes non-conformes. Lors de l’industrialisation d’une nouvelle aube, le procédé de l’invention permet d’obtenir directement des aubes conformes aux dimensions nominales sans nécessiter d’expérimentations sur les matrices de forge, longues et coûteuses. L’industrialisation est donc moins onéreuse et plus rapide.
Brève description des dessins
La figure 1 illustre une aube de compresseur obtenue par le procédé selon l’invention ; La figure 2 représente le procédé de l’invention.
Description d’un mode de réalisation
La figure 1 représente une aube 1 de compresseur. L’aube 1 peut être une aube de stator ou une aube de rotor d’une turbomachine axiale. Elle peut être en alliage de titane du type TA6V, en inconel ou tout autre alliage de nickel ou tout autre alliage apte à subir une opération de forge. Les dimensions et épaisseurs ne sont pas représentées à l’échelle et l’aube n’est illustrée que schématiquement.
Dans cet exemple, l’aube 1 dispose d’un pied 2 prévu pour assembler l’aube 1 à une virole ou un tambour. Dans cet exemple, le pied 2 dispose d’une queue d’aronde à cet effet. Une pale 4 s’étend principalement selon une direction longitudinale A qui peut sensiblement être une direction radiale de la turbomachine. La direction indiquée comme B est sensiblement parallèle à la corde de l’aube.
La pale 4 présente un côté intrados 5 et un côté extrados 6 qui guident le flux d’air.
Lors du refroidissement après une opération de forge de la pale 4, celle-ci peut se déformer. Un retour élastique en sortie de forge, ou un refroidissement non homogène peuvent générer une torsion T autour de l’axe A et/ou une torsion U autour de l’axe B. Cette torsion implique que l’aube n’est plus conforme à sa géométrie nominale.
L’invention vise à anticiper cette torsion pour fabriquer une aube qui, malgré sa déformation, conviendra aux dimensions souhaitées.
Le pied 2 est plus massif que la pale 4, l’épaisseur du pied 2 (mesurée radialement, c’est-à-dire verticalement sur la figure 1) peut être de 5 à 30 fois supérieure à l’épaisseur de la pale 4 (mesurée circonférentiellement, c’est-à-dire horizontalement sur la figure 1).
Ainsi, le pied 2 se déforme de manière négligeable par rapport à la déformation de la pale 4.
Que ce soit d’un point de vue mécanique ou d’un point de vue thermique, le pied 2 agit donc comme des conditions limites stables au cours du temps. En choisissant d’ignorer cette infime déformation du pied et les infimes contraintes résiduelles en découlant, il est donc possible de gagner des ressources informatiques lors de la simulation : la pièce à simuler est plus petite ; le maillage est plus homogène sur la pale 4 seule que sur l’aube entière 1 ; les variations de dimensions et de contraintes résiduelles sont continues sur la pale 4.
La figure 2 décrit un diagramme du procédé selon l’invention.
Lors de la conception de l’aube (étape 100) sont définies la géométrie de l’aube, ses dimensions nominales et ses propriétés mécaniques nominales (dont les contraintes résiduelles admissibles).
Dans une étape d’industrialisation 200, les paramètres de fabrication sont déterminés en fonction des dimensions et des contraintes résiduelles nominales. Par exemple une forme de matrice très proche des dimensions nominales peut être choisie. Les paramètres de fabrication déterminés ici peuvent également comprendre les paramètres machine lors de l’opération de forge : vitesse, température, matériau de la matrice, etc.
Dans l’étape 300, un algorithme de calcul est effectué pour déterminer, à partir des paramètres de fabrication de l’étape 200, les conséquences sur la pièce obtenue. La simulation numérique permet d’obtenir ces résultats, en prenant en compte notamment les propriétés rhéologiques du matériau composant l’aube.
Les dimensions et propriétés mécaniques calculées 400 sont comparées, dans une étape 500 aux dimensions et propriétés mécaniques nominales.
S’il y a une déviation supérieure à un certain seuil de tolérance, les paramètres de fabrication sont modifiés dans une étape 600. Par exemple, s’il est calculé que l’aube obtenue a été déformée en torsion d’un angle supérieur à un angle seuil donné, les dimensions correspondantes de la matrice sont ajustées en conséquence.
Après modification des paramètres de fabrication, l’algorithme est à nouveau effectué, et la boucle est répétée jusqu’à ce que la déviation devienne inférieure au seuil donné. Une fois ce seuil atteint, les paramètres de fabrication sont maintenus (étape 700).
Alternativement, les itérations peuvent être d’un nombre donné prédéfini sans critère de convergence. La géométrie de la matrice ainsi déterminée peut être confirmée par des essais expérimentaux. Cette modélisation permet d’éviter la multiplication des essais réels de prototypage avec différents paramètres de fabrication ou le tâtonnement avec l’utilisation de plusieurs matrices, puisqu’en pratique seul un ou deux prototypes seront réalisés.
L’algorithme réalisé en étape 300 comprend un certain nombre d’étapes de calcul, et peut prendre en compte plusieurs phénomènes physiques, liés aux différentes opérations de fabrication successives (extrusion, refoulement, forge de précision, ...).

Claims

Revendications
1. Procédé de fabrication d’une aube de compresseur de turbomachine, l’aube comprenant une pale et un pied d’épaisseur très supérieure à celle de la pale, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- la détermination de la déformée et/ou des contraintes résiduelles de la pale pendant et après chaque opération du processus de fabrication, les opérations comprenant une opération de forge et éventuellement l’une des opérations suivantes : découpe de bavure, refroidissement et/ou traitement thermique ;
- l’intégration de la déformée et/ou des contraintes résiduelles ainsi déterminée(s) pour le paramétrage de l’opération de forge, notamment en fonction d’une comparaison entre la déformée et/ou les contraintes résiduelles déterminées et une déformée et/ou des contraintes résiduelles nominales, le paramétrage comprenant le dimensionnement d’un outillage de fabrication, notamment le dimensionnement de la matrice employée pour l’opération de forge ; et
- la réalisation de l’opération de forge ainsi paramétrée.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la déformée et/ou les contraintes résiduelles de la pale sont déterminées lorsque la matrice est aux dimensions nominales de la pale, puis les dimensions de la matrice sont corrigées en fonction de la déformée et/ou des contraintes résiduelles ainsi déterminées.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dimensionnement de la matrice est réalisé par itérations.
4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la déformée comprend la torsion de la pale autour d’au moins un axe de l’aube.
5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la détermination de la déformée et/ou des contraintes résiduelles prend un compte les propriétés rhéologiques du matériau constituant la pale, ces propriétés comprenant notamment : les modules élastiques relaxés et non- relaxés ainsi que les temps de relaxation associés, les coefficients de Poisson, le coefficient de dilatation thermique, le coefficient de dilatation d’humidité, la conductivité thermique.
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’opération de forge est une opération de forge de précision.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’opération de forge de précision est intégrée dans une gamme de forge comprenant, avant ladite opération de forge de précision, une opération d’extrusion d’un brut rond, suivie d’une opération de refoulement.
8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l’aube est en alliage forgeable, notamment alliage de titane ou de nickel.
9. Compresseur de turboréacteur d’aéronef, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une aube rotorique ou statorique réalisée au moins en partie par le procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 8.
PCT/EP2020/085036 2019-12-09 2020-12-08 Procédé de fabrication d'une aube de compresseur WO2021116086A1 (fr)

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