FR3012515A1

FR3012515A1 - Aube composite de turbomachine

Info

Publication number: FR3012515A1
Application number: FR1360655A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Pautard; Maxime Briend
Original assignee: Safran SA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS; Safran SA
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-05-01
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: GB201419319D0; FR3012515B1; GB2521047A; US20160153295A1

Abstract

Aube composite de turbomachine ayant une face d'intrados (12) et une face d'extrados (14) qui définissent le profil aérodynamique de l'aube, l'aube (10) comprenant une âme métallique (20) formant la face d'intrados (12) ou la face d'extrados (14) de l'aube, et une matrice organique (30) associée à l'âme métallique (20).

Description

AUBE COMPOSITE DE TURBOMACHINE DOMAINE TECHNIQUE Le présent exposé concerne une aube composite de turbomachine et des procédés de fabrication de cette aube. Une telle aube peut équiper tout type de turbomachine, terrestre ou aéronautique et, par exemple, un turboréacteur d'avion ou un turbomoteur d'hélicoptère. En particulier, il peut s'agir d'une aube de guidage de sortie ou "OGV" (pour "outlet guide vane"), d'une aube de guidage d'entrée ou "IGV" (pour "inlet guide vane"), ou d'une aube de stator à calage variable ou "VSV" (pour "variable stator vane"). ARRIERE PLAN Dans le domaine des turbomachines, les aubes composites sont préférées aux aubes métalliques pour certaines applications. En particulier, dans les turbomachines aéronautiques, les aubes composites sont appréciées, notamment, pour leur légèreté. Ces aubes composites peuvent être fabriquées de différentes manières. Par exemple, certaines aubes composites sont fabriquées par drapage d'un matériau tissé pré-imprégné de résine. D'autres sont fabriquées par tissage tridimensionnel d'une structure de renfort en fibres de carbone ou de plastique et par injection sous vide d'une résine, e.g. une résine époxy, bismaléimide ou cyanate-ester, dans cette structure tissée (voir par exemple le document de brevet FR 2892339). Cependant, les coûts et/ou les délais de fabrication des aubes composites connues sont souvent considérés comme trop importants. En outre, il peut être difficile de fabriquer certaines formes d'aube au moyen de certains procédés connus. C'est notamment le cas des aubes de petite taille ou de forme complexe. Il existe donc un besoin pour un nouveau type d'aube composite et de nouveaux procédés de fabrication associés. PRESENTATION GENERALE Le présent exposé concerne une aube composite de turbomachine ayant une face d'intrados et une face d'extrados qui définissent le profil aérodynamique de l'aube. Cette aube comprend une âme métallique formant la face d'intrados et/ou la face d'extrados de l'aube, et une matrice organique associée à l'âme métallique. L'âme métallique de l'aube composite peut donc former la face d'intrados de l'aube, la face d'extrados, ou ces deux faces. Le choix entre intrados et extrados peut être fait en fonction des problèmes d'érosion ou d'abrasion, en fonction des contraintes mécaniques subies par l'aube en fonctionnement et/ou en fonction du profil aérodynamique requis et des conditions de faisabilité de celui-ci. De même, l'épaisseur de l'âme métallique (qui peut varier d'une partie à l'autre de l'âme métallique) peut être choisie en fonction des paramètres précités. Par exemple, une épaisseur d'âme plus importante améliore la rigidité de l'aube. L'âme métallique peut former en intégralité au moins l'une des faces d'intrados et d'extrados, ce qui permet d'améliorer la rigidité de l'aube et son comportement aéromécanique. Ceci permet également de simplifier la fabrication de l'aube. Par exemple, lorsque l'aube est formée par injection de la matrice organique sur l'âme métallique, le positionnement de l'âme dans le moule d'injection est facilité. En outre, ceci évite d'avoir un plan de joint dans le moule d'injection, au niveau de la face considérée, ce qui réduit le risque de défauts au niveau de cette face. Par âme "métallique", on entend désigner une partie en métal, en alliage métallique ou en cermet. Par exemple, l'âme métallique peut être en titane, en aluminium, en acier (inoxydable ou non), en superalliage de base nickel ou chrome (e.g. en superalliage commercialisé sous la marque "Inconel"), ou en verre métallique. Les faces d'intrados et d'extrados de l'aube s'étendent entre un bord d'attaque et un bord de fuite de l'aube.

Dans certains modes de réalisation, l'âme métallique forme également le bord d'attaque de l'aube et/ou le bord de fuite de l'aube. Là encore, le choix entre bord d'attaque et/ou bord de fuite peut être fait en fonction des paramètres récités et, notamment, des contraintes mécaniques subies par l'aube en fonctionnement et des problématiques de fabrication (épaisseur des parties, cinématique de l'outillage, plans de joint, etc.). Par exemple, l'âme métallique peut former le bord d'attaque de l'aube et au moins une partie de la face d'intrados ou d'extrados ; elle peut former le bord de fuite de l'aube et au moins une partie de la face d'intrados ou d'extrados ; ou elle peut former le bord d'attaque et le bord de fuite de l'aube et l'intégralité d'une des faces d'intrados ou d'extrados. Dans d'autres modes de réalisation, au contraire, l'âme métallique ne forme ni le bord d'attaque, ni le bord de fuite de l'aube. Dans ce cas, le bord d'attaque et le bord de fuite de l'aube peuvent être formés par la matrice organique. Cela peut être le cas, par exemple, pour des aubes de petite taille et de faible épaisseur. Le fait que l'âme métallique forme le bord d'attaque de l'aube et/ou le bord de fuite de l'aube permet de protéger ce(s) bord(s) en fonctionnement. Une telle protection est particulièrement utile pour le bord d'attaque qui est le plus exposé aux impacts. Ainsi, grâce à l'âme métallique, il n'est pas nécessaire de fixer sur le bord d'attaque de l'aube une protection supplémentaire. Cette solution présente donc un avantage par rapport aux méthodes de fabrication connues dans lesquelles un bord de renforcement en "U" est collé le long du bord d'attaque d'une aube pour renforcer celui-ci et le protéger contre les impacts (voir, par exemple, le document de brevet FR 2965202). Dans certains modes de réalisation, la matrice organique forme au moins en partie la face d'extrados ou la face d'intrados de l'aube, étant entendu que lorsque l'âme métallique forme la face d'intrados, la matrice organique forme au moins en partie la face d'extrados de l'aube et vice- versa. Accessoirement, si l'âme métallique ne forme pas la totalité de la face d'intrados (ou d'extrados), la matrice composite forme la partie restante de cette face. Dans certains modes de réalisation, l'aube comprend une plateforme et cette plateforme peut être formée par la matrice organique. L'aube peut comprendre une ou deux plateformes en fonction de son application. Cette ou ces plateformes bordent la limite extérieure et/ou intérieure des faces d'extrados et d'intrados de l'aube et délimitent avec ces faces une veine d'écoulement de fluide entourant l'aube. Dans le présent exposé, on entend désigner par "pale" la partie de io l'aube définissant la surface portante de celle-ci et qui est destinée à être située dans l'écoulement de fluide traversant la turbomachine. Les faces d'intrados et d'extrados de l'aube appartiennent donc à la pale. Lorsque l'aube présente une plateforme intérieure, cette plateforme se situe à la base la pale et s'étend transversalement à la pale. 15 Dans certains modes de réalisation, la matrice organique est à base de polymère(s) thermoplastique(s) ou thermodurcissable(s). Par exemple, la matrice organique est formée à partir d'une résine thermodurcissable à base de polymère époxyde, de polybismaléimide ou de cyanate ester, ou à partir d'une résine thermoplastique à base de polyaryléthercétone (PAEK - incluant 20 PEEK, PEKK, PEK, PEKEKK, PEKKEK, etc.), de polyethylenimine (PEI), de poly(sulfure de phénylène) (PPS), de polyimide (PI) ou résultant d'un mélange des polymères précités. Le cas échéant, la résine utilisée pour la matrice peut intégrer un renfort constitué de charges. Ces charges peuvent être des fibres longues ou courtes, des fibres coupées, des billes, des écailles 25 (ou "flakes"), etc. Par exemple, il peut s'agir de fibres de verre ou de carbone. En durcissant, la résine forme la matrice organique. Le présent exposé concerne également un procédé de fabrication d'une aube composite du type précité, dans lequel on injecte 'une résine constitutive de la matrice organique sur l'âme métallique. 30 Selon un mode de mise en oeuvre, l'âme métallique est positionnée dans un moule d'injection et la résine est injectée dans le moule.

La matrice organique peut être injectée en une ou plusieurs étapes sur l'âme métallique. Par ailleurs, la résine peut être injectée dans le moule par bi-injection ou tri-injection. La résine injectée peut inclure des charges, comme précédemment indiqué. Lorsqu'on souhaite fabriquer une aube avec une (ou deux) plateforme, cette plateforme peut être surmoulée sur un premier ensemble, préalablement formé, comprenant l'âme métallique. Pour cela, on injecte une 10 résine sur le premier ensemble, cette résine formant ladite plateforme en durcissant. Dans certains modes de mise en oeuvre, la résine est injectée sur l'âme métallique selon une technique d'injection-compression. Le principe de cette technique est d'injecter la résine dans un moule partiellement fermé. 15 Après ou pendant le remplissage de la cavité du moule, une compression de la résine est effectuée par fermeture du moule ou en déplaçant des parties mobiles à l'intérieur du moule. Par exemple, la compressibilité de la résine utilisée peut être comprise entre environ 5% et environ 15%. La technique "d'injection-compression" permet d'obtenir une pression homogène sur 20 l'ensemble de la pièce moulée et, par exemple, de mouler des aubes avec des zones très fines, sans gauchissement et sans contraintes internes. La technique d'injection-compression permet également de réaliser en une seule étape d'injection-compression une aube avec une ou deux plateformes. Selon un autre mode de mise en oeuvre, le procédé de fabrication de 25 l'aube comprend une étape d'extrusion de la matrice organique sur l'âme métallique. Par exemple, on peut fournir un profilé métallique correspondant à l'âme métallique et extruder sur ce profilé la matrice organique. Le cas échéant, l'ensemble extrudé ainsi formé est ensuite découpé en tronçons de longueur souhaitée, ces tronçons formant des pales d'aubes. Ensuite, il est 30 possible de surmouler une ou deux plateformes sur la pale, par exemple en injectant une résine sur la pale, la résine formant la ou les plateformes en durcissant. La fabrication de la pale par extrusion ne permettant pas d'obtenir une pale vrillée autour de son axe principal, une opération d'estampage de la pale peut être réalisée postérieurement à l'étape d'extrusion pour mettre en forme (e.g. vriller) la pale. Dans certains modes de mise en oeuvre, un primaire d'accrochage est utilisé entre l'âme métallique et la matrice organique pour améliorer l'adhésion de ces deux parties entre elles et, ainsi, améliorer la cohésion de 10 l'aube. Ce primaire peut également permettre de palier aux problèmes de couple galvanique qui peuvent se poser en fonction des couples de matériaux retenus. Pour améliorer la cohésion de l'aube, des reliefs peuvent être formés sur l'âme métallique. Par exemple, des protubérances (e.g. des contre- 15 dépouilles) et/ou des cavités (e.g. des rainures) peuvent être formées sur la face de l'âme métallique destinée à être au contact de la matrice organique (i.e. la face opposée à la face de l'âme formant la face d'intrados ou d'extrados de l'aube). De tels reliefs permettent d'améliorer l'adhésion de l'âme et de la matrice entre elles. 20 Les caractéristiques et avantages de l'aube composite proposée, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 25 Les dessins annexés sont schématiques et ne sont pas à l'échelle, ils visent avant tout à illustrer les principes de l'invention. Sur ces dessins, d'une figure (FIG) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques ou analogues sont repérés par les mêmes signes de référence. 30 La FIG 1 représente un exemple d'aube composite de turbomachine comprenant une âme métallique et une matrice organique.

La FIG 2 une vue de détail de l'âme métallique de l'aube de la FIG 1. Les FIG 3 et 4 représentent d'autres exemples d'aube composite. La FIG 5 une vue de détail de l'âme métallique de l'aube de la FIG 4. Les FIGS 6 et 7 représentent d'autres exemples d'aube composite.

DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLE(S) Des exemples de réalisation sont décrits en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Ces exemples illustrent les caractéristiques et les avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à ces exemples.

La FIG 1 représente une aube composite 10 de turbomachine. Cette aube comprend une partie de pale ou pale 11 et une plateforme 13 à la base de la pale 11. La plateforme 13 s'étend transversalement à la pale 11. L'aube 10 et, plus précisément la pale 11, a une face d'intrados 12 et une face d'extrados 14 qui définissent le profil aérodynamique de l'aube. Les faces d'intrados 12 et d'extrados 14 s'étendent (dans le sens d'écoulement du fluide) entre un bord d'attaque 16 et un bord de fuite 18 de l'aube. A la base des faces d'intrados 12 et d'extrados 14, l'aube comprend une plateforme 13. L'aube 10 comprend une âme 20 et une matrice 30 associée à l'âme 20.

L'âme 20 est métallique et la matrice 30 est organique, e.g. en polymère(s) thermoplastique(s) ou thermodurcissable(s). L'âme 20 est représentée seule sur la FIG 2. Elle forme ou définit l'intégralité de la face d'extrados 14 de l'aube 10. En outre, l'âme 20 forme ou définit l'intégralité du bord d'attaque 20 et du bord de fuite 18 de l'aube.

L'âme 20 peut également former ou définir en partie la face d'intrados de l'aube. Dans l'exemple de la FIG 1, l'âme 20 forme une partie 12A de la face d'intrados au voisinage du bord d'attaque 16 et une partie 12B de la face d'intrados au voisinage du bord de fuite 18. Ainsi, dans l'exemple, suivant la direction de la circonférence de l'aube 10, l'âme 20 s'étend sur tout le côté d'extrados, passe par les bords d'attaque 16 et de fuite 18, et s'étend du côté d'intrados sur deux portions situées respectivement à proximité des bords d'attaque 16 et de fuite 18. Suivant la direction de la hauteur de l'aube 10, l'âme 20 s'étend suivant toute la hauteur de l'aube 10. L'âme 20 longe donc les bords d'attaque 16 et de fuite 18 sur toute leur hauteur. s Comme représenté sur la FIG 2, l'âme 20 a la forme d'un profilé dont le profil en section transversale a une forme générale en "C" (ou en "U"), la base du "C" correspondant à la face d'extrados de l'aube et les branches du "C" étant repliées autour des bords d'attaque 16 et de fuite 18 de l'aube 10. En section transversale, la matrice 30 se situe à l'intérieur du profil en "C".

10 Dans l'exemple de la FIG 1, la matrice 30 se situe à l'intérieur de la cavité définie par l'âme métallique, du côté opposé à la face d'extrados 14. La matrice 30 forme ainsi la partie centrale de l'aube et forme la face d'intrados 12 de l'aube en partie (i.e. entre les portions 12A et 12B). La matrice 30 forme également la plateforme 13 de l'aube 10.

15 La matrice 30 et l'âme 20 sont liées ensemble. Typiquement, cette liaison résulte du procédé de fabrication de l'aube. C'est en particulier le cas lorsque la matrice 30 est injectée ou extrudée sur l'âme 20, comme exposé précédemment. La FIG 3 représente un autre exemple d'aube composite 10. Cette aube 20 10 diffère de celle de la FIG 1 uniquement par la forme de l'âme métallique 20. Ici, l'âme 20 s'étend sur tout le côté d'extrados 14 et s'arrête au niveau du bord de fuite 18. L'âme 20 ne forme donc pas de partie comparable à la partie 12B de la FIG 1. La FIG 4 représente un autre exemple d'aube composite 10. Cette aube 25 10 diffère de celle de la FIG 1 uniquement en ce que l'âme 20 a une épaisseur variable. L'âme 20 est représentée seule sur la FIG 5. L'épaisseur de l'âme 20 est relativement importante, voire maximum, au niveau du bord d'attaque 16 et relativement faible, voire minimum, au niveau du bord de fuite 18. L'épaisseur importante de l'âme 20 au niveau du bord d'attaque 16 30 permet de conférer une rigidité et une résistance mécanique accrue dans la zone du bord d'attaque, cette zone étant généralement la plus exposée aux sollicitations mécaniques et aux impacts. Dans l'exemple, l'épaisseur de l'âme 20 diminue progressivement du bord d'attaque 16 vers le bord de fuite 18. La FIG 6 représente un autre exemple d'aube composite 10. Cette aube 10 diffère de celle de la FIG 4 uniquement par la forme de l'âme métallique s 20. Ici, l'âme métallique 20 s'arrête au niveau du bord de fuite 18 de l'aube 10. La différence entre les aubes des FIG 4 et 6 est donc analogue à celle existant entre les aubes des FIG 1 et 3. La FIG 7 représente un autre exemple d'aube composite 10. Cette aube 10 diffère de celle de la FIG 4 par le fait que l'âme 20 ne forme plus lo l'intégralité de la face d'extrados 14 mais l'intégralité de la face d'intrados 12. Ainsi, dans l'exemple de la FIG 7, suivant la direction circonférentielle de l'aube 10, l'âme 20 s'étend sur tout le côté d'extrados, passe par les bords d'attaque 16 et de fuite 18, et s'étend du côté d'intrados sur deux portions situées respectivement à proximité des bords d'attaque 16 et de fuite 18.

15 Suivant la direction de la hauteur de l'aube 10, l'âme 20 s'étend suivant toute la hauteur de l'aube 10. L'âme 20 longe donc les bords d'attaque 16 et de fuite 18 sur toute leur hauteur. Les modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé sont donnés à titre illustratif et non limitatif, une personne du métier pouvant 20 facilement, au vu de cet exposé, modifier ces modes ou exemples de réalisation, ou en envisager d'autres, tout en restant dans la portée de l'invention. De plus, les différentes caractéristiques de ces modes ou exemples de réalisation peuvent être utilisées seules ou être combinées entre elles.

25 Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être comme décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant pas aux combinaisons spécifiques décrites dans le présent exposé. En particulier, sauf précision contraire, une caractéristique décrite en relation avec un mode ou exemple de réalisation peut être appliquée de manière analogue à un autre mode ou 30 exemple de réalisation.

Claims

REVENDICATIONS1. Aube composite de turbomachine ayant une face d'intrados (12) et une face d'extrados (14) qui définissent le profil aérodynamique de l'aube, l'aube (10) comprenant : une âme métallique (20) formant la face d'intrados (12) ou la face d'extrados (14) de l'aube, et une matrice organique (30) associée à l'âme métallique (20).
2. Aube composite selon la revendication 1, dans laquelle les faces d'intrados et d'extrados (12, 14) s'étendant entre un bord d'attaque (16) et un bord de fuite (18) de l'aube, et dans laquelle l'âme métallique (20) forme également le bord d'attaque (16) et/ou le bord de fuite (18) de l'aube.
3. Aube composite selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle la matrice organique (30) forme au moins en partie la face d'extrados (14) ou la face d'intrados (12) de l'aube.
4. Aube composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'aube (10) comprend au moins une plateforme (13), cette plateforme étant formée par la matrice organique (30).
5. Aube composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la matrice organique (30) est à base de polymère(s) thermoplastique(s) ou thermodurcissable(s).
6. Procédé de fabrication d'une aube composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel on injecte une résine constitutive de la matrice organique (30) sur l'âme métallique (20).
7. Procédé de fabrication d'une aube composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant une étape d'extrusion de la matrice organique (30) sur l'âme métallique (20).
8. Procédé de fabrication selon la revendication 6 ou 7, dans lequel une plateforme (13) d'aube est réalisée en surmoulant la plateforme (13) sur l'ensemble extrudé ou injecté comprenant l'âme métallique (20), par injection d'une résine sur cet ensemble.