FR2625528A1 - Aube monobloc composite fibre-resine pour turbomachine et procede pour sa fabrication - Google Patents

Abstract

Aube de turbomachine comprenant un corps d'aube allongé 1 et un pied de fixation 2 s'étendant transversalement au corps à une extrémité de celui-ci, réalisés au moins partiellement en résine synthétique renforcée par des fibres longues. Des fibres de renforcement 16, 17 s'étendent de façon continue dans le corps selon la direction longitudinale de celui-ci et dans le pied selon une direction transversale au corps.

Description

L'invention concerne les aubes de turbomachines, et plus particulièrement, les aubes redresseuses pour moteurs d'avions.

De telles aubes sont traditionnellement métalliques.

Pour gagner du poids, on a proposé de réaliser des aubes en résine synthétique renforcée par des fibres telles que des fibres de carbone et de polyamide notamment aromatique.

Ainsi FR-A-2 568 953 décrit un élément de turbomachine comprenant un corps d'aube allongé et un pied de fixation s'étendant transversalement au corps à une extrémité de celui-ci, le corps étant en résine synthétique renforcée par des fibres. Dans ce document le pied de fixation est en matière plastique moulée et présente une fente dans laquelle est engagée et collée ltextrémité du corps de l'aube. Pour éviter une désolidarisation des deux pièces en cas de décollement, ltextrémité du corps est en forme de coin et est emprisonnée dans la fente également en forme de coin.

L'assemblage collé du corps et du pied complique la fabrication de l'aube. De plus, l'ensemble obtenu n'a pas la rigidité des aubes métalliques monoblocs, et tout décollement accidentel du corps et du pied altère dangereusement le comportement vibratoire de l'aube.

Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients.

A cet effet, l'invention a pour objet un élément de turbomachine comprenant au moins un corps d'aube allongé et un pied de fixation s'étendant transversalement au corps à une extrémité de celui-ci, le corps étant réalisé au moins partiellement en résine synthétique renforcée par des fibres longues, caractérise;ssn;" > - que le pied est lui aussi réalisé au moins partiellement en résine renforcée, des fibres de renforcement s'étendant de façon continue dans le corps selon la direction ïonitudinale de celui-ci et dans le pied selon une direction transversale au corps.

Avantageusement, certaines au moins desdites fibres continues s'étendent dans une partie du pied destinée à être serrée entre une surface de support et des moyens mécaniques de fixation de l'élément sur cette surface.

L'invention prévoit également un élément comprenant au moins deux corps d'aubes s'étendant à partir d'un même pied de fixation et dans lequel des fibres de renforcement s'étendent de façpn continue d'un corps à un autre corps en passant par le pied.

Avantageusement, les fibres de renforcement sont sous forme de nappes de tissu empilées dans la direction de l'épaisseur des corps d'aubes, le tissu comprenant une majorité de fibres orientées selon la longueur des aubes et une minorité de fibres transversales.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le corps d'aube ou chaque corps d'aube est formé d'une âme entourée par une peau, la peau étant en résine renforcée par des fibres qui confèrent à l'aube une résistance mécanique et une rigidité élevées.

Les fibres de la peau peuvent notamment comprendre des fibres de carbone, et peuvent être orientées selon un angle de 450 environ par rapport aux fibres longitudinales.

Selon une caractéristique préférée, l'amie est en résine renforcée par des fibres qui confèrent à l'aube un bon comportement en vibration.

Les fibres de l'âme peuvent comprendre des fibres de verre, et les fibres transversales de l'âme peuvent être à peu près perpendiculaires aux fibres longitudinales.

L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un élément tel que défini ci-dessus, dans lequel on réalise d'abord une ébauche de l'âme en empilant plusieurs nappes d'un tissu de fibres approprié, chacune des nappes présentant un contour convenable pour obtenir le profil souhaité pour l'âme, on réalise ensuite une ébauche de la peau en empilant de part et d'autre de l'épaisseur de l'ébauche de l'âme des nappes d'un tissu de fibres approprié, ces nappes se rejoignant entre elles de part et d'autre de la largeur de l'âme et présentant chacune un contour convenable pour obtenir le profil souhaité pour l'aube, on enferme l'ébauche obtenue dans un moule et on fait durcir dans ce moule une résine enrobant les fibres.

Selon un mode de mise en oeuvre du procédé, les nappes de tissu empilées sont pré-imprégnées par la résine d'enrobage
Selon une variante, les nappes de tissu empilées sont sèches et la résine est injectée dans le moule à travers l'ensemble des fibres de l'âme et de la peau.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-après et des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en élévation d'une aube monobloc selon l'invention, en coupe selon la ligne I-I de la figure 2; - la figure 2 est vue en coupe longitudinale selon la ligne II-II de la figure 1; - la figure 3 est vue partielle analogue à la figure 2, à plus grande échelle, montrant le pied et la partie adjacente du corps d'aube; - les figures 4 et 5 sont des sections transversales respectivement selon les lignes IV-IV et V-V de la figure 1; - la figure 6 est une vue de dessus à laquelle est superposé le profil de la section du corps d'aube selon le plan de la figure 4, en trait interrompu;; - la figure 7 est une vue de dessous à laquelle est superposé le profil de la section du corps d'aube selon le plan de la figure 5, en trait interrompu; - la figure 8 est une vue en coupe d'un élément monobloc à deux corps d'aubes selon la ligne VIII-VIII de la figure 9; - la figure 9 est une vue de dessus de l'élément de la figure 8.

Les figures 1 à 7 représentent une aube monobloc destinée à un redresseur de soufflante pour moteur d'avion, semblable par sa forme extérieure aux aubes métalliques classiques, mais réalisée selon l'invention en un matériau composite formé d'une résine synthétique thermodurcissable, par exemple une résine époxy, et des fibres de renforcement noyées dans cette résine. L'aube illustrée est formée d'un corps allongé 1 s'élargissant à ses extrémités en un pied de fixation 2 et un embout 3. Le "pied" est représenté à la partie supérieure aux figures 1 à 3 car il est dirigé vers la périphérie du moteur, l'embout 3 étant dirigé vers l'axe de ce dernier. Le corps 1 a une largeur sensiblement constante (dimension transversale dans le plan de la figure 1) et une épaisseur décroissante du pied 2 vers l'embout 3.Comme on le voit en particulier à la figure 7, l'embout présente, dans un plain transversal par rapport au corps, une longueur supérieure à la largeur du corps et une largeur telle qu'il encadre le profil du corps au voisinage de l'embout. I1 comporte des lèvres latérales 4 orientées sensiblement selon le plan général du corps 1 et destinées à être insérées dans des fentes de positionnement prévues dans une bague centrale du moteur.

Le pied 2 présente quant à lui une longueur sensiblement égale à celle de l'embout et une largeur relativement importante de façon à permettre une fixation stable de l'aube en s'appuyant par une surface suffisante sur le carter extérieur du moteur. Comme on le voit aux figures 6 et 7, le pied 2 présente une surface de base en forme de parallélogramme dont les petits côtés 5 sont situés dans des plans perpendiculaires à l'axe du moteur et dont les grands côtés 6 sont dans des plans inclinés par rapport à cet axe et sensiblement parallèles à la direction joignant le bord d'attaque 7 et le bord de fuite 8 de l'aube. Bien entendu le parallélogramme est "enroulé" de façon à coincider avec la surface de révolution du carter extérieur.Deux trous traversants 9 sont prévus dans le pied 2, de part et d'autre de l'épaisseur du corps d'aube 1, et débouchent dans la surface d'appui 10 pour recevoir des vis de fixation de l'aube sur le carter. Des lamages 11 entourant les trous 9 sont destinés à loger les têtes des vis.

Dans les figures 1 et 2 le matériau de l'aube apparaît comme étant homogène. Mais les figures .3 à 5 à plus grande échelle montrent qu'il n'en n'est rien. En particulier on voit aux figures 4 et 5 que le corps d'aube 1 est formé d'une âme 12 entourée par une peau 13, l'âme et la peau étant constitués chacun par un empilement de nappes de tissu de fibres enrobées dans une résine époxy.

Dans la région de la longueur du corps d'aube correspondant à la figure 4, 17 nappes 14-1, 14-2,...14-16, 14-17 sont empilées pour former l'âme 12. La nappe 14-1 s'étend sur toute la largeur de l'âme, tandis que les largeurs des nappes 14-2 à 14-17 diminuent progressivement de façon que l'épaisseur de la section droite de l'âme soit maximale dans une région médiane et diminue progressivement en direction du bord d'attaque 7 et du bord de fuite 8 de l'aube. Dans la région de la figure 7, l'âme ne contient plus que 4 nappes 14-1 à 14-4, ce qui montre que les dimensions des nappes constituant l'âme varient non seulement en largeur pour réaliser le profil effilé de l'aube mais également en longueur pour permettre la diminution d'épaisseur de celle-ci du pied vers l'embout.

Bien entendu, le nombre de nappes empilées n'est donné ici qu'à titre illustratif. I1 peut varier dans de grandes proportions en fonction de l'épaisseur de l'aube et de celle du tissu utilisé. Dans l'exemple décrit, le tissu constitutif de l'âme est à base de fibres de verre et comprend environ 80% de fibres orientées selon la direction longitudinale du corps d'aube et environ 20% de fibres transversales, sensiblement perpendiculaires aux fibres longitudinales et tissées avec celles-ci pour assurer une bonne cohésion du tissu lors de sa manipulation.

La peau 13 est formée de deux empilements de nappes de fibres recouvrant respectivement les deux faces de l'âme et s'étendant au-delà des bords latéraux de celui-ci pour se rejoindre mutuellement en formant les bords d'attaque et de fuite de l'aube. Dans la partie de leur surface recouvrant l'âme, les empilement 13 présentent une épaisseur constante et comprennent donc un nombre constant de nappes, la variation d'épaisseur de l'aube étant assurée par celle du nombre de nappes de l'âme. En revanche le nombre de nappes de la peau diminue au-delà des bords latéraux des âmes de façon à réaliser le profil voulu pour les bords d'attaque et de fuite 7 et 8.Dans l'exemple décrit, le tissu formant la peau 13 est à base de fibres de carbone et contient environ 80% de fibres orientées selon la direction longitudinale de l'aube et environ 20% de fibres transversales réparties à égalité entre deux directions faisant un angle d'environ 40 à 500 avec la direction longitudinale. Ces fibres transversales, tissées avec les fibres longitudinales, assurent une grande rigidité du corps d'aube sans qu'il soit nécessaire d'empiler des nappes dont les fibres ont des orientations différentes.

Les fibres de carbone de la peau confèrent au corps d'aube la résistance mécanique nécessaire. Leur association avec les fibres de verre de l'âme ajuste la rigidité du corps pour le rendre pratiquement insensible aux vibrations auxquelles il peut être soumis en service. Bien entendu il est possible de remplacer ces fibres par des fibres de nature différente ou des mélanges de fibres conduisant à des propriétés analogues. On peut en particulier utiliser des fibres de polyamide aromatique. De même des tissus semblables peuvent être utilisés dans toute l'épaisseur du corps d'aube, sans distinction entre une âme et une peau. Enfin une peau semblable à celle décrité peut être appliquée sur une âme ayant une structure différente de celle d'un empilement de nappes de tissu de fibres.

Pour améliorer encore la cohésion du corps d'aube, et notamment pour renforcer les bords d'attaque et de fuite en évitant tout délaminage entre les empilements constituant la peau et entre la peau et l'âme ou le noyau, il est possible de coudre entre elles, à travers l'épaisseur du corps, l'ensemble des nappes de tissus par des lignes de couture s'étendant selon la longueur de celui-ci. Plusieurs coutures parallèles peuvent être prévues le long de chaque bord, ainsi qu'éventuellement des coutures plus espacées latéra lement dans la région médiane.

On se réfère maintenant à la figure 3 qui montre en coupe le pied de fixation 2 et la partie extrême du corps d'aube 1 voisine de ce pied. On retrouve l'âme 12 et la peau extérieure 13, formés d'empilements de nappes de tissu de fibres, qui constituent le corps 1. Les empilements 13 de nappes formant la peau se prolongent au-delà de l'extrémité supérieure 15 du corps 1 pour s'étendre en 13' transversalement à la direction longitudinale du corps, entre la surface d'appui 10 et les lamages 11, les régions 13' des nappes étant ainsi traversées par les trous 9 de passage des vis de fixation. De même un certain nombre de nappes 12a constitutives de l'âme se prolongent en des régions 12' adjacentes aux régions 13' des nappes 13.Les nappes 12a qui s'étendent ainsi dans le pied 2 sont celles qui sont les plus proches de la peau, les nappes centrales de l'âme étant interrompues à l'extrémité 15 du corps. On a représenté en trait mixte deux fibres longitudinales 16 appartenant aux nappes de tissu 13 et s'étendant de façon continue dans la peau du corps et dans le pied, entre la surface d'appui 10 et les lamages 11. On a représenté de la même manière deux fibres longitudinales 17 appartenant à des nappes 12a de l'âme et s'étendant de façon continue de celle-ci à la région 12' du pied. Une couche 19 de tissu de fibres de carbone croisées imprégné de résine recouvre l'extrémité 15 du corps et les régions 12'. Les trous 9 traversent successivement les régions 13' et 12' et la couche 19 en allant des lamages 11 à la face d'appui 10.

Le pied 2 comprend également des inserts 18 entourant les lamages 11. Ces inserts peuvent être eux aussi en une résine synthétique telle qu'une résine époxy renforcée par des fibres courtes mais peuvent également être métalliques. Pour la fabrication de l'aube, ces inserts sont placés dans le moule avec les empilements de tissu et sont rendus solidaires de ceux-ci par le durcissement de la résine d'enrobage des tissus.

On comprend que l'extension sans discontinuité des mêmes tissus de fibres longues, et en particulier des mêmes fibres longitudinales, dans le corps 1 et dans le pied 2 procure une cohésion de l'aube bien meilleure que celle de l'aube composite collée de la technique antérieure.

De la même façon, l'embout 3 et en particulier ses pattes 4 sont formés par des extensions des nappes de tissu constitutives de l'âme 12 et de la peau 13, avec adjonction possible d'inserts.

L'élément des figures 8 et 9 diffère de l'aube décrite ci-dessus en ce que deux corps d'aubes 20 et 21 associés à des embouts non représentés semblables à l'embout 3 sont raccordés à un même pied de fixation 22. Le pied 22 présente deux trous de passage de vis 29 et deux lamages 31 situés vers les extrémités de sa longueur dans la direction circonférentielle du moteur, les corps 20 et 21 étant en des positions intermédiaires dans cette même direction.

Les corps 20 et 21 ont la même structure que le corps 1 du premier exemple et comprennent chacun une âme formée d'un empilement de nappes de tissu de fibres et une peau formée de deux empilements de nappes de tissu de fibres appliqués de part et d'autre de l'épaisseur de l'âme.

Comme dans le cas de la figure 3, l'empilement de la peau de chaque aube tourné à l'opposé de l'autre aube et les nappes adjacentes de l'âme, représentés ici pour plus de clarté comme formant une seule couche 33, se prolongent sans discontinuité dans le pied pour former une région 33' s'étendant transversalement et traversé par le trou 29 voisin. Par ailleurs les couches 33 de la peau et de l'âme voisines des faces des deux corps d'aubes tournées l'une vers l'autre sont constituées par les mêmes nappes de tissu de fibres qui s'étendent sans disconti-nuité d'un corps à l'autre en passant par une région intermédiaire 33" dans laquelle elles s'étendent dans le pied transversalement à la longueur des aubes. Les nappes formant la partie centrale 32 des âmes sont interrompues aux extrémités 35 des corps d'aubes.

Les lamages 31 sont ménagés dans des inserts 38 analogues aux inserts 18 de la figure 3. Par ailleurs un insert 39 est disposé dans la partie médiane du pied, entre les trous 29, et vient en contact avec la face interne des empilements 33-33'-33". La face supérieure du pied est définie par une couche 40 d'un tissu de fibres de carbone croisées imprégné de résine, qui recouvre l'insert 39 en formant la surface d'appui 20 et qui dans les régions ou ne s'étend pas l'insert recouvre directement les empilements 33'-33".

I1 est possible de réaliser des éléments selon l'invention comprenant plus de deux corps d'aubes, dans lesquels à chaque fois des nappes de tissu et des fibres longitudinales s'étendent de façon continue entre deux aubes voisines en passant transversalement par le pied commun aux différents corps. I1 est également possible de prévoir des trous de passage de vis disposés entre deux aubes et traversant ainsi les nappes de fibres qui réunissent celles-ci.

De même les deux trous 29 des figures 8 et 9 peuvent être remplacés par un trou unique disposé entre les deux corps d'aubes. Une telle utilisation d'éléments monoblocs multi-aubes, en diminuant le nombre de pièces à assembler et le nombre de vis de fixation, diminue également la durée de montage du moteur et son poids, ainsi que l'affaiblissement du carter par les trous de fixation.

Comme indiqué plus haut, pour réaliser l'élément selon l'invention, on prépare d'abord une ébauche (ou des ébauches) d'âmes en empilant des nappes de tissu de'fibres ayant les formes et les dimensions appropriées pour obtenir le profil voulu de l'âme en chacune de ses sections droites telles que celles des figures 4 et 5. On applique ensuite des empilements de nappes de tissu également découpées dans des formes appropriées pour réaliser l'ébauche de la peau. On introduit ensuite l'ébauche complète obtenue dans un moule avec les inserts éventuels. Si les tissus de fibres sont pré-imprégnés de résine, on chauffe simplement pour durcir celle-ci. Si au contraire les tissus sont secs, on injecte dans le moule, tout en aspirant par le vide, la résine qui enrobe l'ensemble des fibres.

Cette dernière technique présente l'avantage de supprimer les difficultés liées à la conservation et à la manipulation des tissus de fibres pré-imprégnés. Dans ce cas la réalisation de l'âme en tissu de fibres est avantageuse par rapport à d'autres types d'âmes en ce qu'elle facilite l'injection de la résine qui se répartit uniformément dans tout le volume de l'aube et non pas seulement dans le volume de la peau. Le cas échéant, les coutures de renforcement sont réalisées sur l'ébauche complète sèche ou imprégnée et avant moulage.

Claims (15)

Revendications.

1. Elément de turbomachine comprenant au moins un corps d'aube allongé (1) et un pied de fixation (2) s'étendant transversalement au corps à une extrémité de celui-ci, le corps étant réalisé au moins partiellement en résine synthétique renforcée par des fibres longues, caractérisé en ce que le pied est lui aussi réalisé au moins partiellement en résine renforcée, des fibres de renforcement (16,17) s'étendant de façon continue dans le corps selon.

la direction longitudinale de celui-ci et dans le pied selon une direction transversale au corps.

2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que certaines au moins desdites fibres continues s'étendent dans une partie (12',13') du pied destinée à être serrée entre une surface de support et des moyens mécaniques de fixation de l'élément sur cette surface.

3. Elément selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux corps d'aubes (20,21) s'étendant à partir d'un même pied de fixation (22), des fibres de renforcement s'étendant de façon continue d'un corps à un autre corps en passant par le pied.

4. Elément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres de renforcement sont sous formes de nappes de tissu (14-1 à 14-17) empilées dans la direction de l'épaisseur des corps d'aubes, le tissu comprenant une majorité de fibres orientées selon la longueur des aubes et une minorité de fibres transversales.

5. Elément selon la revendication 4, caractérisé en ce que les nappes sont cousues entre elles selon des lignes de couture s'étendant dans la-longueur du corps d'aube.

6. Elément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps d'aube (1) ou chaque corps d'aube (20,21) est formé d'une âme (12) entouré par une peau (13), la peau étant en résine renforcée par des fibres qui confèrent à l'aube une résistance mécanique et une rigidité élevées.

7. Elément selon la revendication 6, caractérisé en ce que les fibres de la peau comprennent des fibres de carbone.

8. Elément selon l'une des revendications 4 et 5 et la revendication 7, caractérisé en ce que les fibres transversales de la peau font un angle de 45 environ avec les fibres longitudinales.

9. Elément selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que l'âme est en résine renforcée par des fibres qui confèrent à l'aube un bon comportement en vibration.

10. Elément selon la revendication 9, caractérisé en ce que les fibres de l'âme comprennent des fibres de verre.

11. Elément selon l'une des revendications 4 et 5 et la revendication 10, caractérisé en ce que les fibres transversales de l'âme sont à peu près perpendiculaires au fibres longitudinales.

12. Procédé de fabrication d'un élément selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'on réalise d'abord une ébauche de l'âme en empilant plusieurs nappes d'un tissu de fibres approprié, chacune des nappes présentant un contour convenable pour obtenir le profil souhaité pour l'âme, qu'on réalise ensuite une ébauche de la peau en empilant de part et d'autre de l'épaisseur de l'ébauche de l'âme des nappes d'un tissu de fibres approprié, ces nappes se rejoignant entre elles de part et d'autre de la largeur de l'âme et présentant chacune un profil conve nable pour obtenir le profil souhaité pour l'aube, qu'on enferme l'ébauche obtenue dans un moule et qu'on fait durcir dans ce moule une résine enrobant les fibres.

13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les nappes de tissu empilées sont pré-imprégnées par ladite résine.

14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les nappes de tissu empilées sont sèches et que la résine est injectée et aspirée dans le moule à travers l'ensemble des fibres de l'âme et de la peau.

15. Procédé selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'on coud entre elles les nappes de l'ébauche selon des lignes de couture s'étendant dans la longueur du corps d'aube.