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EP4017721A1 - Structure d'atténuation acoustique en matériau composite et son procédé de fabrication - Google Patents

Structure d'atténuation acoustique en matériau composite et son procédé de fabrication

Info

Publication number
EP4017721A1
EP4017721A1 EP20772358.6A EP20772358A EP4017721A1 EP 4017721 A1 EP4017721 A1 EP 4017721A1 EP 20772358 A EP20772358 A EP 20772358A EP 4017721 A1 EP4017721 A1 EP 4017721A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
acoustic attenuation
attenuation structure
skin
preform
partitions
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20772358.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Eric Bouillon
Eric Conete
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Ceramics SA
Original Assignee
Safran Ceramics SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Ceramics SA filed Critical Safran Ceramics SA
Publication of EP4017721A1 publication Critical patent/EP4017721A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to the general field of acoustic attenuation structures. It relates more particularly to structures or acoustic attenuation panels used to reduce the noise produced in aircraft engines as well as in gas turbines or their exhaust.
  • acoustic attenuation structures In order to reduce the noise in the exhaust ducts of gas turbines, it is known to provide the surfaces of the elements delimiting these ducts with acoustic attenuation structures. These structures typically consist of a first multi-perforated skin permeable to the acoustic waves that it is desired to attenuate and of a second solid reflective skin, a core, such as a honeycomb or a porous structure, being arranged between these two skins. In a well-known manner, the cores of such structures form Helmholtz type resonators which make it possible to attenuate the acoustic waves produced in the duct in a certain range of frequencies.
  • acoustic attenuation structures are preferably made of a composite material (fibrous reinforcement densified by a matrix) rather than a metallic material.
  • Document US 9631 519 describes an acoustic attenuation structure, the skins and the core of which are formed from composite materials allowing a saving in mass compared to the metallic materials usually used.
  • vertical acoustic partitions forming the cell body are glued to the inner and outer skins.
  • the acoustic attenuation structure thus formed is intended in particular for use in an exhaust system of an aircraft engine.
  • the acoustic attenuation structure can be for example integrated into the structure of the nozzle and / or the exhaust cone of the engine rear body.
  • thermomechanical resistance of the acoustic attenuation structure can be problematic with respect to the significant thermal gradients encountered during the transient phases of engine operation. Indeed, during the engine starting or stopping phases, the structure may be subjected between its internal skin and its external skin to temperature gradients of between 100 ° C and 300 ° C resulting in significant differential expansions between the two. skins. The acoustic partitions are then stressed by significant mechanical forces which can result in the complete separation of the partitions from the skins.
  • the present invention provides an acoustic attenuation structure of annular or semi-annular shape comprising an internal skin and an external skin delimiting between them an annular or semi-annular volume and several partitions extending in a perpendicular radial direction. to the internal and external skins and in a circumferential direction, the internal and external skins and the partitions being made of a composite material comprising a fibrous reinforcement densified by a matrix, characterized in that the fibrous reinforcement of each partition comprises fibers extending into the fibrous reinforcement of at least one of the inner or outer skins.
  • the outer skin comprises a plurality of perforations.
  • the subject of the invention in this case is in particular an aeronautical engine ejection cone comprising such an acoustic attenuation structure.
  • the internal skin has a plurality of perforations.
  • the subject of the invention in this case is, in particular, an aeronautical engine ejection nozzle comprising such an acoustic attenuation structure.
  • the invention also relates to an aeronautical gas turbine engine comprising an ejection cone or an ejection nozzle according to the invention.
  • the invention further relates to an aircraft comprising at least one engine according to the invention.
  • a further subject of the invention is a method for producing an acoustic attenuation structure in composite material according to the invention comprising the following steps:
  • a fiber preform with an acoustic attenuation structure comprising a first part intended to form an internal skin, a second part intended to form an external skin and a third part intended to form partitions, fibers present in the third part of a preform extending at least in the first part or the second part of the preform,
  • the mold comprising at least one injection port, one outlet port and a filter interposed between the fiber preform and said at least one an output port,
  • the densification of the fiber preform comprises the following steps:
  • a ceramic precursor which may be non-exhaustively a sol, or an organosilicon polymer, or
  • the fiber preform is produced at least in part by placing fibers.
  • the third part of the fibrous texture comprises one or more layers of two-dimensional or unidirectional fabric, each layer extending in part at least in the first part or the second part of the texture.
  • Figure 1 is a schematic perspective view of an ejection cone of an aircraft engine exhaust system in accordance with one embodiment of the invention
  • Figure 2 is a schematic perspective view showing an acoustic attenuation structure present in the upstream part of the ejection cone of Figure 1,
  • FIG. 3A is a schematic sectional view showing the production of a fiber preform intended to form the fiber reinforcement of the sound attenuation structure of FIG. 2,
  • Figure 3B is a schematic sectional view showing the production of a fiber preform intended to form the fiber reinforcement of the sound attenuation structure of Figure 2,
  • FIG. 3C is a schematic sectional view showing the production of a fiber preform intended to form the fiber reinforcement of the acoustic attenuation structure of FIG. 2
  • FIG. 3D is a schematic sectional view showing the production of a fiber preform intended to form the fiber reinforcement of the acoustic attenuation structure of FIG. 2,
  • Figure 4 is a schematic sectional view showing the injection of a slip into the fiber preform of Figure 3D,
  • Figure 5 is a partial sectional view of the radial sound attenuation structure of the combustion system of Figure 1 obtained after formation of a ceramic matrix in the fiber preform of Figure 4.
  • a particular but not exclusive field of application of the invention is that of gas turbine aero engine exhaust systems such as those used in airplanes or helicopters. These exhaust systems include in particular a nozzle and an ejection cone defining between them an ejection channel for the exhaust gases.
  • FIGS 1 and 2 show an ejection cone 100 of a gas turbine engine exhaust system in accordance with one embodiment of the invention.
  • the ejection cone 100 has a shape of revolution around an axial direction D A and comprises an upstream part 110 integrating an acoustic attenuation structure 200 and a downstream part 120 finalizing the aerodynamic line.
  • the ejection cone is here made of CMC material.
  • the end of the upstream portion 110 of the cone comprises a metal fixing flange 130 forming part of the motor housing (not shown in Figures 1 and 2) or intended to be fixed thereon.
  • the parts made of CMC material are formed by a fibrous reinforcement of refractory fibers (carbon or ceramic) which is densified by a ceramic matrix, in particular carbide, nitride, refractory oxide, etc.
  • Typical examples of CMC materials are the oxide / oxide materials (oxide fiber and oxide matrix such as for example alumina, mulite, alumino-silicate matrix), C-SiC (carbon fiber reinforcement and silicon carbide matrix), SiC-SiC materials and materials CC / SiC (mixed carbon / silicon carbide matrix).
  • oxide / oxide materials oxide fiber and oxide matrix
  • C-SiC carbon fiber reinforcement and silicon carbide matrix
  • SiC-SiC materials and materials CC / SiC mixed carbon / silicon carbide matrix
  • the upstream part 110 of the ejection cone 100 comprises an acoustic attenuation structure 200 which is constituted in the example described here by a structural internal skin 210, circumferential acoustic partitions 220 and an acoustic external skin 230.
  • the external skin 230 delimits the internal surface of the exhaust gas flow path.
  • the outer skin 230 further has perforations 231 in order to allow the entry of the acoustic waves to be attenuated into the attenuation structure while the inner skin 210 is full so as to reflect these waves.
  • the acoustic partitions 220 extend in a radial direction D R between the inner and outer skins 210 and 230 and in a circumferential direction D c .
  • the acoustic partitions 220 are spaced from each other in the axial direction D A.
  • the partitions 220 between them form boxes 221 capable of damping the acoustic waves that it is desired to attenuate.
  • the manufacture of the sound attenuation structure begins with the production of a fiber preform of the structure.
  • the preform parts corresponding to the acoustic partitions comprise threads or fibers which extend at least in one of the parts intended to form the internal skin or the external skin.
  • the realization of the fiber preform of the attenuation structure is carried out using the automatic fiber placement process AFP (for "Automated Fiber Placement).
  • the AFP process consists of juxtaposing several ribbons of fibers using a depositing head. Each tape is applied and cut independently of the others, allowing the dispensing head to conform to sharply curved shapes, and stop material as close as possible to the contours of the finished part.
  • the fibers used to constitute the ribbons to be deposited can in particular be oxide fibers (alumina, alumina / mulite, quartz, etc.) of carbon or of silicon carbide, or else a mixture of carbon fibers and of carbon carbide. silicon.
  • the production of the preform begins with the formation of the preform part intended to form the internal skin 210 and the acoustic partitions 220 of the acoustic attenuation structure 200.
  • a first fibrous layer 331 is formed by depositing ribbons of fibers on a mandrel 30 according to the AFP method, the thickness of the layer 331 being adjusted by the number of superimposed ribbons of fibers.
  • a plurality of fibrous layers 332 are formed on the layer 331 according to the AFP method, the thickness of each layer 332 being adjusted by the number of superimposed fiber ribbons.
  • Each layer 332 comprises a first part 332a in contact with the fibrous layer 331 and a second part 332b extending above the layer 331 in the radial direction DR and in the circumferential direction D c substantially perpendicular to the surface of the layer 331.
  • Part 332b of each layer 332 is intended to form all or part of an acoustic partition of the acoustic attenuation structure.
  • the parts 332b can be maintained by means of a specific tool (not shown in FIG. 3B).
  • a plurality of fibrous layers 333 are formed on the portion 332a of each fibrous layer 332 according to the AFP method, the thickness of each layer 333 being adjusted by the number of superimposed fiber ribbons.
  • a monolithic fiber preform 330 is thus obtained which comprises a first part 334 joining together the fibrous layer 331, the parts 332a of the fibrous layers.
  • the fibrous preform 330 also comprises a second part 335 consisting of the parts 332b of the fibrous layers 332, this second part being intended to form the acoustic partitions 220 of the acoustic attenuation structure 200.
  • a fibrous layer 336 is formed on the second part 335 of the fibrous preform 330, again by depositing ribbons of fibers according to the AFP process.
  • the thickness of the layer 336 is adjusted by the number of superimposed fiber ribbons.
  • Angular shaping sectors 40 are placed between the parts 332b of the fibrous layers 332 so as to keep the second part in shape and prevent the sagging of the fibrous layer 336.
  • An adhesive for example a ceramic adhesive, can be interposed between the free ends of the parts 332b of the layers 332 and the layer 336 to reinforce the bond between these layers.
  • a fiber preform 300 is then obtained for the acoustic attenuation structure to be produced. Once the fiber preform 300 has been produced, it is placed in an injection tool which, as explained below, makes it possible to impregnate the preform with a slip according to the STM transfer molding process (for "Slurry Transfer Molding ").
  • the fiber preform 300 and the angular shaping sectors 40 are placed in a tool 400.
  • Tooling 400 comprises a mold 410 and a counter-mold 420.
  • the mold 410 comprises a bottom 411 provided with a plurality of vents 412.
  • the mold 410 and the counter-mold 420 together define a mold cavity 414 whose geometry corresponds to that of the acoustic attenuation structure to be produced.
  • the mold 410 and the counter-mold 420 therefore serve to define the geometry and the dimensions of the preform and therefore the part to be obtained.
  • the counter-mold 420 has a plurality of injection ports 421 through which a liquid laden with particles is intended to be injected in order to penetrate into the porosity of the fiber preform 300.
  • a part made of porous material 430 is present in the molding cavity 414 between the vents 12 of the mold 410 and the fiber preform 300.
  • the part of porous material 430 can for example be made of polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the part made of porous material 430 allows the liquid to drain outside the fiber preform and its evacuation through the outlet vents 412 due to the application of a pressure gradient between the outlet vents 412 and the ports of injection 421 while retaining the particles in the fiber preform.
  • the part made of porous material 430 may have a thickness greater than or equal to 1 mm, or even several millimeters.
  • the average porosity rate of the porous material part 430 can be around 30%.
  • the average pore size (D50) of the part made of porous material can for example be between 1 ⁇ m and 2 ⁇ m.
  • the part made of porous materials corresponds or is able to conform to the shape of the molding cavity 414
  • the charged liquid corresponds to a slip containing a powder of alumina particles.
  • FIG. 4 illustrates the configuration obtained during the injection of a slip 450 and the drainage of the liquid medium therefrom.
  • the slip 450 was injected under pressure through the injection ports 421 so as to penetrate into the fiber preform 300.
  • the refractory ceramic particles 4500 present in the slip 450 are intended to allow the formation of an oxide matrix in the porosity of the fiber preform 300.
  • the slip may be a suspension comprising particles having a particle size average between 0.1 pm and 10 pm.
  • the volume content of particles in the slip may, before injection, be between 20% and 40%.
  • the liquid medium of the slip may, for example, comprise an aqueous phase exhibiting an acidic pH (ie a pH less than 7) and / or an alcoholic phase comprising, for example, ethanol.
  • the slip may comprise an acidifier such as nitric acid and the pH of the liquid medium may for example be between 1, 5 and 4.
  • the slip may, in addition, comprise an organic binder such as polyvinyl alcohol (PVA ) which is especially soluble in water. It can also integrate a liquid or dissolved precursor, an oxide ceramic such as an alumina sol, a mulite sol, an alumino-silicate sol, a silica sol, a polysiloxane or any other organosilicon polymer.
  • PVA polyvinyl alcohol
  • the refractory ceramic particles 4500 are present after injection of the slip 450 into the porosity of the fiber preform 300 while the liquid phase of the slip is drained by the part made of porous material 430 and discharged through the vents 412.
  • Pumping can also be carried out at the outlet vents 412 during drainage, for example by means of a primary vacuum pump. Performing such pumping improves drainage and dries the fibrous texture more quickly.
  • the part made of porous material 430 makes it possible to retain in the fiber preform 300 the refractory ceramic particles 4500 initially present in the slip and that all or part of these particles are deposited by filtration in the fiber preform.
  • a fiber preform loaded with particles for example alumina particles.
  • the preform obtained is then dried and then demolded, the preform being able to retain, after demolding, the shape adopted in the molding cavity.
  • the next step consists in carrying out a high temperature heat treatment in order to sinter the oxide grains and optionally transform the ceramic precursor into ceramic.
  • An acoustic attenuation structure 200 (FIG. 5) is then obtained in CMC composite material, namely comprising a fibrous reinforcement densified by an oxide matrix.
  • the fibrous reinforcement of each acoustic partition 220 includes fibers which extend into the fibrous reinforcement of the inner skin 210.
  • perforations 231 are made in the outer skin 230.
  • the perforations can in particular be made on the finished part by drilling with a drill or by laser drilling the outer skin. 230.
  • the fibers of the fibrous reinforcement of the acoustic partitions extend into the fibrous reinforcement of the inner skin. According to an alternative embodiment of the invention, the fibers of the fibrous reinforcement of the acoustic partitions extend into the fibrous reinforcement of the outer skin. According to another variant, the fibers of the fibrous reinforcement of the acoustic partitions extend both into the fibrous reinforcement of the inner skin and into the fibrous reinforcement of the outer skin.
  • the particles or grains of oxide are replaced by particles or grains of SiC and the step of sintering the particles is replaced by a step consisting in infiltrating the preform with a composition based on molten silicon (siliciding) so as to form a ceramic matrix, a densification process known under the designation M1 process (“Melt Infiltration”).
  • the fibrous reinforcement of the acoustic attenuation structure was produced using the AFP automatic fiber placement method.
  • the fiber reinforcement in particular acoustic partitions, can also be produced by draping layers of unidirectional (UD) or two-dimensional (2D) fabric.
  • UD unidirectional
  • 2D two-dimensional
  • the fiber preform of the acoustic attenuation structure is produced by draping 2D or UD strata which are pre-impregnated with a composition comprising ceramic particles and a liquid ceramic precursor such as for example a sol or a sol. organosilicon polymer), the preform thus formed then being heat treated to transform the precursor into ceramic.
  • a composition comprising ceramic particles and a liquid ceramic precursor such as for example a sol or a sol. organosilicon polymer
  • the 2D or UD layers can also be pre-impregnated with an organic matrix precursor such as an epoxy resin for example.
  • an organic matrix precursor such as an epoxy resin for example.
  • CMO organic matrix composite
  • the acoustic attenuation structure according to the invention can correspond to a part of revolution and be made in one piece or from a plurality of annular sectors assembled with each other.
  • the acoustic attenuation structure of the invention can in particular be integrated into an aeronautical engine ejection cone as described above and / or even into an ejection nozzle of an aircraft engine exhaust system.

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Abstract

Une structure d'atténuation acoustique (200) de forme annulaire ou semi-annulaire comprend une peau interne (210) et une peau externe (230) délimitant entre elles un volume annulaire ou semi-annulaire et plusieurs cloisons (220) s'étendant dans l'espace suivant une direction radiale (DR) perpendiculaire aux peaux interne et externe et suivant une direction circonférentielle (DC). Les peaux interne et externe (210, 230) et les cloisons (220) sont en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice. Le renfort fibreux de chaque cloison comporte des fils ou des fibres s'étendant dans le renfort fibreux d'au moins une des peaux interne ou externe.

Description

Description
Titre de l'invention : Structure d'atténuation acoustique en matériau composite et son procédé de fabrication
Domaine Technique
La présente invention se rapporte au domaine général des structures d'atténuation acoustiques. Elle concerne plus particulièrement les structures ou panneaux d'atténuation acoustique utilisés pour réduire les bruits produits dans les moteurs d’avion comme dans les turbines à gaz ou échappement de ceux-ci.
Technique antérieure
Afin de réduire le bruit dans les conduits d’échappement des turbines à gaz, il est connu de doter les surfaces des éléments délimitant ces conduits de structures d’atténuation acoustique. Ces structures sont typiquement constituées d’une première peau multi-perforée perméable aux ondes acoustiques que l’on souhaite atténuer et d’une deuxième peau pleine réfléchissante, une âme, tel qu’un nid d’abeille ou une structure poreuse, étant disposée entre ces deux peaux. De façon bien connue, les âmes de telles structures forment des résonateurs de type Helmholtz qui permettent d’atténuer dans une certaine gamme de fréquences les ondes acoustiques produites dans le conduit.
Dans des domaines techniques où le gain de masse est une préoccupation constante, comme en aéronautique, les structures d’atténuation acoustique sont de préférence réalisées matériau composite (renfort fibreux densifié par une matrice) plutôt qu’en matériau métallique.
Le document US 9631 519 décrit une structure d’atténuation acoustique dont les peaux et l’âme sont formés à partir de matériaux composites permettant un gain de masse par rapport aux matériaux métalliques habituellement utilisés. Dans ce document, des cloisons acoustiques verticales formant le corps cellulaire sont collées aux peaux interne et externe. La structure d’atténuation acoustique ainsi formée est notamment destinée à être utilisée dans un système d’échappement de moteur aéronautique. La structure d’atténuation acoustique peut être par exemple intégrée à la structure de la tuyère et/ou du cône d’éjection de l’arrière-corps du moteur.
Dans ce cas, la tenue thermomécanique de la structure d’atténuation acoustique peut être problématique vis-à-vis des gradients thermiques importants rencontrés lors des phases transitoires de fonctionnement du moteur. En effet, lors des phases de démarrage ou d’arrêt du moteur, la structure peut être soumise entre sa peau interne et sa peau externe à des gradients de température compris entre 100°C et 300 °C entraînant des dilatations différentielles importantes entre les deux peaux. Les cloisons acoustiques sont alors sollicitées par des efforts mécaniques importants pouvant aboutir à la désolidarisation totale des cloisons avec les peaux.
Il existe, par conséquent, un besoin pour renforcer la liaison entre les cloisons acoustiques et les peaux dans une structure d’atténuation acoustique en matériau composite.
Exposé de l’invention
A cet effet, la présente invention propose une structure d’atténuation acoustique de forme annulaire ou semi-annulaire comprenant une peau interne et une peau externe délimitant entre elles un volume annulaire ou semi-annulaire et plusieurs cloisons s’étendant suivant une direction radiale perpendiculaire aux peaux interne et externe et suivant une direction circonférentielle, les peaux interne et externe et les cloisons étant en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, caractérisé en ce que le renfort fibreux de chaque cloison comporte des fibres s’étendant dans le renfort fibreux d’au moins une des peaux interne ou externe.
En étendant ainsi le renfort fibreux d’au moins une des peaux interne ou externe au renfort fibreux des cloisons, on renforce de manière importante la liaison des cloisons avec au moins une des peaux par génération d’une continuité du renfort fibreux. Les risques de désolidarisation des cloisons acoustiques avec au moins l’une des peaux sont grandement diminués, ce qui permet de préserver l’intégrité mécanique de la structure d’atténuation acoustique et, par conséquent, sa durée de vie. Selon une caractéristique particulière de la structure de l’invention, la peau externe comporte une pluralité de perforations. L’invention a notamment dans ce cas pour objet un cône d’éjection de moteur aéronautique comprenant une telle structure d’atténuation acoustique.
Selon une caractéristique particulière de la structure de l’invention, la peau interne comporte une pluralité de perforations. L’invention a notamment dans ce cas pour objet une tuyère d’éjection de moteur aéronautique comprenant une telle structure d’atténuation acoustique.
L’invention concerne également un moteur aéronautique à turbine à gaz comprenant un cône d’éjection ou une tuyère d’éjection selon l’invention.
L’invention concerne en outre un aéronef comprenant au moins un moteur selon l’invention.
L’invention a encore pour objet un procédé de réalisation d’une structure d’atténuation acoustique en matériau composite selon l’invention comprenant les étapes suivantes :
- réalisation d’une préforme fibreuse de structure d’atténuation acoustique comprenant une première partie destinée à former une peau interne, une deuxième partie destinée à former une peau externe et une troisième partie destinée à former des cloisons, des fibres présentes dans la troisième partie de préforme s’étendant au moins dans la première partie ou la deuxième partie de préforme,
- placement de la préforme fibreuse dans un moule présentant la forme d’une structure d’atténuation acoustique à réaliser, le moule comportant au moins un port d’injection, un port de sortie et un filtre interposé entre la préforme fibreuse et ledit au moins un port de sortie,
- densification de la préforme fibreuse par une matrice.
Dans le cas de la réalisation d’une structure acoustique en matériau composite à matrice céramique (CMC), la densification de la préforme fibreuse comprend les étapes suivantes :
- injection d’un liquide chargé de particules de céramique ou de particules d’un précurseur de céramique ou un mélange des deux dans la préforme fibreuse, - drainage par le filtre du liquide ayant traversé la préforme fibreuse et rétention des particules à l’intérieur de la préforme par ledit filtre de manière à obtenir une préforme fibreuse chargée de particules,
- frittage à haute température des particules de céramique constitutives de la matrice, avec l’aide ou non d’un précurseur céramique, pouvant être de manière non exhaustive un sol, ou un polymère organosilicié, ou
- infiltration de la préforme fibreuse avec une composition fondue à base de silicium.
Selon une caractéristique particulière du procédé de l’invention, la préforme fibreuse est réalisée au moins en partie par placement de fibres.
Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, la troisième partie de la texture fibreuse comprend une ou plusieurs strates de tissu bidimensionnel ou unidirectionnel, chaque strate s’étendant en partie au moins dans la première partie ou la deuxième partie de la texture fibreuse
Brève description des dessins
[Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique en perspective d’un cône d’éjection d’un système d’échappement de moteur aéronautique conformément à un mode de réalisation de l’invention,
[Fig. 2] La figure 2 est une vue schématique en perspective montrant une structure d’atténuation acoustique présente dans la partie amont du cône d’éjection de la figure 1 ,
[Fig. 3A] La figure 3A est une vue schématique en coupe montrant la réalisation d’une préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux de la structure d’atténuation acoustique de la figure 2,
[Fig. 3B] La figure 3B est une vue schématique en coupe montrant la réalisation d’une préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux de la structure d’atténuation acoustique de la figure 2,
[Fig. 3C] La figure 3C est une vue schématique en coupe montrant la réalisation d’une préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux de la structure d’atténuation acoustique de la figure 2, [Fig. 3D] La figure 3D est une vue schématique en coupe montrant la réalisation d’une préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux de la structure d’atténuation acoustique de la figure 2,
[Fig. 4] La figure 4 est une vue schématique en coupe montrant l’injection d’une barbotine dans la préforme fibreuse de la figure 3D,
[Fig. 5] La figure 5 est une vue partielle en coupe de la structure d’atténuation acoustique radiale du système de combustion de la figure 1 obtenue après formation d’une matrice céramique dans la préforme fibreuse de la figue 4.
Description des modes de réalisation
Un domaine particulier mais non exclusif d’application de l’invention est celui des systèmes d’échappement de moteurs aéronautiques à turbine à gaz telles que ceux utilisés dans les avions ou hélicoptères. Ces systèmes d’échappement comprennent en particulier une tuyère et un cône d’éjection délimitant entre eux un canal d’éjection pour les gaz d’échappement.
Les figures 1 et 2 représentent un cône d’éjection 100 d’un système d’échappement de moteur à turbine à gaz conformément à un mode de réalisation de l’invention. Le cône d’éjection 100 présente une forme de révolution autour d’une direction axiale DA et comprend une partie amont 110 intégrant une structure d’atténuation acoustique 200 et une partie aval 120 finalisant la ligne aérodynamique. Le cône d’éjection est ici réalisé en matériau CMC. L’extrémité de la partie amont 110 du cône comporte une bride de fixation métallique 130 faisant partie du carter du moteur (non représenté sur les figures 1 et 2) ou destinée à être fixé sur celui-ci.
De façon bien connue, les pièces en matériau CMC sont formées par un renfort fibreux en fibres réfractaires (carbone ou céramique) qui est densifié par une matrice céramique, notamment carbure, nitrure, oxyde réfractaire,.... Des exemples typiques de matériaux CMC sont les matériaux Oxyde/Oxyde (fibre oxyde et matrice oxyde comme par exemple matrice alumine, mulite, alumino-silicate), C-SiC (renfort en fibres de carbone et matrice en carbure de silicium), les matériaux SiC-SiC et les matériaux C-C/SiC (matrice mixte carbone/carbure de silicium). La fabrication de pièces en composite CMC est bien connue. La partie amont 110 du cône d’éjection 100 comprend une structure d’atténuation acoustique 200 qui est constituée dans l’exemple décrit ici par une peau interne structurale 210, des cloisons acoustiques circonférentielles 220 et une peau externe acoustique 230. La peau externe 230 délimite la surface interne de la veine d’écoulement des gaz d’échappement. La peau externe 230 présente en outre des perforations 231 afin de permettre l’entrée des ondes acoustiques à atténuer dans la structure d’atténuation tandis que la peau interne 210 est pleine de manière à réfléchir ces ondes. Les cloisons acoustiques 220 s’étendent suivant une direction radiale DR entre les peaux interne et externe 210 et 230 et suivant une direction circonférentielle Dc. Les cloisons acoustiques 220 sont espacées les unes des autres suivant la direction axiale DA. Les cloisons 220 forment entre elles des caissons 221 aptes à amortir les ondes acoustiques que l’on souhaite atténuer.
On décrit maintenant un procédé de fabrication de la structure d’atténuation acoustique 200 conformément à un mode de réalisation de l’invention.
La fabrication de la structure d’atténuation acoustique débute par la réalisation d’une préforme fibreuse de la structure. Conformément à l’invention, les parties de préforme correspondant aux cloisons acoustiques comportent des fils ou des fibres qui s’étendent au moins dans une des parties destinées à former la peau interne ou la peau externe.
Dans l’exemple décrit ici, la réalisation de la préforme fibreuse de la structure d’atténuation est réalisée en utilisant le procédé de placement de fibre automatique AFP (pour « Automated Fiber Placement). Le procédé AFP consiste à juxtaposer à l’aide d’une tête de dépose plusieurs rubans de fibres. Chaque ruban est appliqué et découpé indépendamment des autres, ce qui permet à la tête de dépose d’épouser des formes à la courbure prononcée, et d’arrêter la matière au plus près des contours de la pièce finie. Les fibres utilisées pour constituer les rubans à déposer peuvent être notamment des fibres d’oxyde (alumine, alumine/mulite, quartz, ...) de carbone ou de carbure de silicium, ou encore un mélange de fibres de carbone et de carbure de silicium.
Sur la figure 3A, la réalisation de la préforme débute par la formation de la partie de préforme destinée à former la peau interne 210 et les cloisons acoustiques 220 de la structure d’atténuation acoustique 200. A cet effet, une première couche fibreuse 331 est formée par dépôt de rubans de fibres sur un mandrin 30 suivant le procédé AFP, l’épaisseur de la couche 331 étant ajustée par le nombre de rubans de fibres superposés. Ensuite, comme illustré sur la figure 3B, on forme une pluralité de couches fibreuses 332 sur la couche 331 suivant le procédé AFP, l’épaisseur de chaque couche 332 étant ajustée par le nombre de rubans de fibres superposés. Chaque couche 332 comporte une première partie 332a en contact avec la couche fibreuse 331 et une deuxième partie 332b s’étendant au-dessus de la couche 331 suivant la direction radiale DR et suivant la direction circonférentielle Dc sensiblement perpendiculairement à la surface de la couche 331. La partie 332b de chaque couche 332 est destinée à former tout ou partie d’une cloison acoustique de la structure d’atténuation acoustique. Les parties 332b peuvent être maintenues au moyen d’un outillage spécifique (non représenté sur la figure 3B).
Comme illustré sur la figure 3C, on forme une pluralité de couches fibreuses 333 sur la partie 332a de chaque couche fibreuse 332 suivant le procédé AFP, l’épaisseur de chaque couche 333 étant ajustée par le nombre de rubans de fibres superposés. On obtient ainsi une préforme fibreuse 330 monolithique qui comprend une première partie 334 réunissant la couche fibreuse 331 , les parties 332a des couches fibreuses
332 et les couches fibreuses 333, cette première partie 334 étant destinée à former la peau interne 210 de la structure d’atténuation acoustique 200. La préforme fibreuse 330 comprend également une deuxième partie 335 constituée des parties 332b des couches fibreuses 332, cette deuxième partie étant destinée à former les cloisons acoustiques 220 de la structure d’atténuation acoustique 200.
Sur la figure 3D, une couche fibreuse 336 est formée sur la deuxième partie 335 de la préforme fibreuse 330 toujours par dépôt de rubans de fibres selon le procédé AFP. L’épaisseur de la couche 336 est ajustée par le nombre de rubans de fibres superposés. Des secteurs angulaires de conformation 40, sont placés entre les parties 332b des couches fibreuse 332 de manière à maintenir en forme la deuxième partie et éviter l’affaissement de la couche fibreuse 336. Une colle, par exemple une colle céramique, peut être interposée entre les extrémités libres des parties 332b des couches 332 et la couche 336 pour renforcer la liaison entre ces couches. On obtient alors une préforme fibreuse 300 de la structure d’atténuation acoustique à réaliser. Une fois la préforme fibreuse 300 réalisée, celle-ci est placée dans un outillage d’injection qui permet, comme expliqué ci-après, d’imprégner la préforme avec une barbotine suivant le procédé de moulage par transfert STM (pour « Slurry Transfer Molding »).
Plus précisément et comme illustré sur la figure 4, la préforme fibreuse 300 et les secteurs angulaires de conformation 40 sont placés dans un outillage 400.
L’outillage 400 comprend un moule 410 et un contre-moule 420. Le moule 410 comprend un fond 411 muni d’une pluralité d’évents 412. Le moule 410 et le contre- moule 420 délimitent ensemble une cavité de moulage 414 dont la géométrie correspond à celle de la structure d’atténuation acoustique à réaliser. Le moule 410 et le contre-moule 420 servent donc à définir la géométrie et les dimensions de la préforme et donc la pièce à obtenir.
Le contre-moule 420 comporte une pluralité de ports d’injection 421 au travers desquels un liquide chargé de particules est destiné à être injecté afin de pénétrer dans la porosité de la préforme fibreuse 300.
Une pièce en matériau poreux 430 est présente dans la cavité de moulage 414 entre les évents 12 du moule 410 et la préforme fibreuse 300. La pièce en matériau poreux 430 peut par exemple être réalisée en polytétrafluoroéthylène (PTFE). La pièce en matériau poreux 430 permet le drainage du liquide à l’extérieur de la préforme fibreuse et son évacuation par les évents de sortie 412 du fait de l’application d’un gradient de pression entre les évents de sortie 412 et les ports d’injection 421 tout en retenant les particules dans la préforme fibreuse. A titre d’exemple, la pièce en matériau poreux 430 peut présenter une épaisseur supérieure ou égale à 1 mm, voire de plusieurs millimètres. Le taux moyen de porosité de la pièce en matériau poreux 430 peut être d’environ 30%. La taille moyenne des pores (D50) de la pièce en matériau poreux peut par exemple être comprise entre 1 pm et 2 pm. La pièce en matériaux poreux correspond ou est apte à se conformer à la forme de la cavité de moulage 414.
Dans l’exemple décrit ici, le liquide chargé correspond à une barbotine contenant une poudre de particules d’alumine. La figure 4 illustre la configuration obtenue durant l’injection d’une barbotine 450 et le drainage du milieu liquide de celle-ci. La barbotine 450 a été injectée sous pression par les ports d’injection 421 de manière à pénétrer dans la préforme fibreuse 300. Les particules céramiques réfractaires 4500 présentes dans la barbotine 450 sont destinées à permettre la formation d’une matrice oxyde dans la porosité de la préforme fibreuse 300. La barbotine peut être une suspension comportant des particules présentant une dimension particulaire moyenne comprise entre 0,1 pm et 10 pm. La teneur volumique en particules dans la barbotine peut, avant l’injection, être comprise entre 20% et 40%. Le milieu liquide de la barbotine peut, par exemple, comporter une phase aqueuse présentant un pH acide (i.e. un pH inférieur à 7) et/ou une phase alcoolique comportant par exemple de l’éthanol. La barbotine peut comporter un acidifiant tel que de l’acide nitrique et le pH du milieu liquide peut par exemple être compris entre 1 ,5 et 4. La barbotine peut, en outre, comporter un liant organique comme de l’alcool polyvinylique (PVA) lequel est notamment soluble dans l’eau. Elle peut également intégrer un précurseur liquide ou dissout, de la céramique oxyde comme un sol d’alumine, un sol de mulite, un sol d’alumino-silicate, un sol de silice, un polysiloxane ou tout autre polymère organosilicié.
Comme illustré sur la figure 4, les particules céramiques réfractaires 4500 sont présentes après injection de la barbotine 450 dans la porosité de la préforme fibreuse 300 tandis que la phase liquide de la barbotine est drainée par la pièce en matériau poreux 430 et évacuée par les évents 412.
Un pompage peut, en outre, être réalisé au niveau des évents de sortie 412 durant le drainage, par exemple au moyen d’une pompe à vide primaire. La réalisation d’un tel pompage permet d’améliorer le drainage et de sécher plus rapidement la texture fibreuse.
Dans cette configuration, la pièce en matériau poreux 430 permet de retenir dans la préforme fibreuse 300 les particules céramiques réfractaires 4500 initialement présentes dans la barbotine et que tout ou partie de ces particules se déposent par filtration dans la préforme fibreuse.
Une fois les étapes d’injection et de drainage effectuées, on obtient une préforme fibreuse chargée de particules, par exemple de particules d’alumine. La préforme obtenue est ensuite séchée puis démoulée, la préforme pouvant conserver après démoulage la forme adoptée dans la cavité de moulage. L’étape suivante consiste à effectuer un traitement thermique haute température pour réaliser le frittage des grains d’oxyde et transformer éventuellement le précurseur de céramique en céramique.
On obtient alors une structure d’atténuation acoustique 200 (figure 5) en matériau composite CMC, à savoir comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice oxyde. Conformément à l’invention, le renfort fibreux de chaque cloison acoustique 220 comporte des fibres qui s’étendent dans le renfort fibreux de la peau interne 210.
La structure d’atténuation acoustique étant destinée à être intégrée à un cône d’éjection, des perforations 231 sont réalisées dans la peau externe 230. Les perforations peuvent être notamment réalisées sur la pièce finie par perçage au foret ou au laser de la peau externe 230.
Dans l’exemple qui vient d’être décrit, les fibres du renfort fibreux des cloisons acoustiques s’étendent dans le renfort fibreux de la peau interne. Selon une variante de réalisation de l’invention, les fibres du renfort fibreux des cloisons acoustiques s’étendent dans le renfort fibreux de la peau externe. Selon une autre variante, les fibres du renfort fibreux des cloisons acoustiques s’étendent à la fois dans le renfort fibreux de la peau interne et dans le renfort fibreux de la peau externe.
Dans le cas d’une structure d’atténuation acoustique en CMC dont la matrice est au moins partiellement en SiC, les particules ou grains d’oxyde sont remplacés par des particules ou grains de SiC et l’étape de frittage des particules est remplacée par une étape consistant à infiltrer la préforme avec une composition à base de silicium fondu (siliciuration) de manière à former une matrice céramique, processus de densification connu sous la désignation processus Ml ("Melt Infiltration").
Par ailleurs, dans l’exemple de réalisation décrit précédemment, le renfort fibreux de la structure d’atténuation acoustique a été réalisé en utilisant le procédé de placement de fibre automatique AFP. Toutefois, le renfort fibreux, en particulier des cloisons acoustiques, peut être également réalisé par drapage de strates de tissu unidirectionnel (UD) ou bidimensionnel (2D). Les strates UD ou 2D utilisées pour former le renfort fibreux des cloisons acoustiques s’étendant dans le renfort fibreux de la peau interne ou de la peau externe, ou encore dans les renforts fibreux des peaux interne et externe qui peuvent être réalisées par le procédé AFP ou par drapage de strates UD ou 2D.
Dans les exemples décrits précédemment, on utilise une préforme fibreuse dite « sèche » c’est-à-dire que la préforme est réalisée à partir de fibres, fils ou strates fibreuses non imprégnées, l’imprégnation étant réalisée après la formation de la préforme. Selon un autre mode réalisation, la préforme fibreuse de la structure d’atténuation acoustique est réalisée par drapage de strates 2D ou UD qui sont pré imprégnées d’une composition comprenant des particules céramiques et un précurseur liquide de céramique comme par exemple un sol ou un polymère organosilicié), la préforme ainsi formée étant ensuite traitée thermiquement pour transformer le précurseur en céramique. Dans ce cas les étapes d’injection et de drainage dans la préforme décrites ci-avant ne sont plus nécessaires.
Les strates 2D ou UD peuvent également être pré-imprégnées avec un précurseur de matrice organique telle qu’une résine époxy par exemple. Dans ce cas on obtient une structure d’atténuation acoustique en matériau composite à matrice organique (CMO).
La structure d’atténuation acoustique selon l’invention peut correspondre à une pièce de révolution et être réalisée en une seule pièce ou à partir d’une pluralité de secteurs annulaires assemblés les uns avec les autres.
La structure d’atténuation acoustique de l’invention peut être notamment intégré à un cône d’éjection de moteur aéronautique comme décrit ci-avant et/ou encore à une tuyère d’éjection d’un système d’échappement de moteur aéronautique.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Structure d'atténuation acoustique (200) de forme annulaire ou semi-annulaire comprenant une peau interne (210) et une peau externe (230) délimitant entre elles un volume annulaire ou semi-annulaire et plusieurs cloisons (220) s'étendant suivant une direction radiale (DR) perpendiculaire aux peaux interne et externe et suivant une direction circonférentielle (Dc), les peaux interne et externe (210, 230) et les cloisons (220) étant en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, caractérisé en ce que le renfort fibreux de chaque cloison comporte des fils ou des fibres s'étendant dans le renfort fibreux d'au moins une des peaux interne ou externe.
[Revendication 2] Structure selon la revendication 1, dans laquelle la peau externe (230) comporte une pluralité de perforations (231).
[Revendication 3] Cône d'éjection (100) de moteur aéronautique comprenant une structure d'atténuation acoustique (200) selon la revendication 2.
[Revendication 4] Structure selon la revendication 1, dans laquelle la peau interne (210) comporte une pluralité de perforations.
[Revendication 5] Tuyère d'éjection de moteur aéronautique comprenant une structure d'atténuation acoustique selon la revendication 4.
[Revendication 6] Moteur aéronautique à turbine à gaz comprenant un cône d'éjection selon la revendication 3 ou une tuyère d'éjection selon la revendication 5.
[Revendication 7] Aéronef comprenant au moins un moteur selon la revendication 6.
[Revendication 8] Procédé de réalisation d'une structure d'atténuation acoustique (200) en matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 4 comprenant les étapes suivantes :
- réalisation d'une préforme fibreuse de structure d'atténuation acoustique (300) comprenant une première partie (334) destinée à former une peau interne (210), une deuxième partie (336) destinée à former une peau externe (230) et une troisième partie (335) destinée à former des cloisons (220), des fibres présentes dans la troisième partie de préforme s'étendant au moins dans la première partie ou la deuxième partie de préforme,
- densification de la préforme fibreuse par une matrice.
[Revendication 9] Procédé selon la revendication 8, dans lequel la préforme fibreuse (300) est réalisée au moins en partie par placement de fibres.
[Revendication 10] Procédé selon la revendication 8, dans lequel la troisième partie de la texture fibreuse comprend une ou plusieurs strates de tissu unidirectionnel ou bidimensionnel, chaque strate s'étendant en partie au moins dans la première partie ou la deuxième partie de la texture fibreuse.
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