BE1031055B1 - Aube de turbomachine avec conducteur électrique de dégivrage et procede de fabrication associé - Google Patents

Aube de turbomachine avec conducteur électrique de dégivrage et procede de fabrication associé Download PDF

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BE1031055B1 BE20225941A BE202205941A BE1031055B1 BE 1031055 B1 BE1031055 B1 BE 1031055B1 BE 20225941 A BE20225941 A BE 20225941A BE 202205941 A BE202205941 A BE 202205941A BE 1031055 B1 BE1031055 B1 BE 1031055B1
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Faille D'huysse Isabelle Della
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Safran Aero Boosters
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Abstract

L'invention propose une aube (9; 109 ; 209) de turbomachine remarquable en ce qu'elle comprend un conducteur électrique (32) intégralement recouvert de matériau métallique formé par projection dynamique par gaz froid d'une poudre métallique. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une aube de turbomachine, le procédé comprenant : la fabrication d'un corps par forgeage, fonderie, usinage et/ou fabrication additive ; la mise en place ou le dépôt d'un conducteur électrique sur le corps ; et le recouvrement du conducteur électrique par projection dynamique par gaz froid d'une poudre métallique. L'invention propose aussi un compresseur de turbomachine comprenant une aube remarquable en ce que l'aube est selon l'invention ou fabriquée selon le procédé de l'invention.

Description

Description
AUBE DE TURBOMACHINE AVEC CONDUCTEUR ÉLECTRIQUE DE
DÉGIVRAGE ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIÉ
Domaine technique
L'invention concerne les systèmes de dégivrages des aubes de turbomachine.
Art antérieur
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s'applique à la fois aux nouveaux types d'avions mais aussi ceux en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L'aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l'intégration et l’utilisation dans [aviation civile ont des conséquences environnementales modérées dans un but d'amélioration de l'efficacité énergétique des avions.
Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son incidence climatique négative par l'emploi de méthodes et l'exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l'empreinte environnementale de son activité.
Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d'avions, l'alègement des appareils,
notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l'emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques.
Dans ce contexte, l'invention porte plus particulièrement sur les aspects liés à l'efficacité et à la sécurité des compresseurs de turbomachine d’aéronefs. En effet, au sein de la veine primaire et à l'entrée du compresseur basse pression (aussi couramment appelé « booster ») se trouvent un ensemble d'aubes statoriques de redressement (aussi appelées IGV pour « Inlet Guide Vane »).
Dans certaines phases de vol et au sol, des conditions atmosphériques peuvent être rencontrées qui sont propices à la formation de givre ou de glace sur les aubes de redressement. Lorsque ce phénomène se produit, il peut conduire à
Vobstruction partielle ou totale de la veine primaire, et à lingestion de blocs de glace détachés dans la veine primaire. En effet, une obstruction de la veine primaire entraîne une sous-alimentation de la chambre de combustion qui peut alors s'éteindre ou empêcher l'accélération de la turbomachine.
Le document de brevet publié EP 3 228 834 A1 divulgue une turbomachine aéronautique comprenant une aube de compresseur équipée d’un dispositif dégivrant électrique avec une thermistance. La solution proposée par ce document présente une marge d'amélioration en termes de procédé de fabrication et d'efficacité de la conduction de chaleur pour obtenir un dégivrage encore plus efficace.
Résumé de l'invention
Problème technique
L'invention a pour objectif de proposer un procédé de fabrication simple et économique permettant d'obtenir une aube dont le dégivrage est efficace.
Solution technique
L'invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des avions et, en ce sens, contribue à la réduction de l'impact environnemental des avions. Pour cela, la présente invention a pour objet une aube de turbomachine remarquable en ce qu'elle comprend un conducteur électrique intégralement recouvert de matériau métallique formé par projection dynamique par gaz froid d’une poudre métallique.
Ce procédé a de nombreux avantages : il permet de garantir une bonne conductivité thermique dans l'aube ; d'assurer un état de surface compatible avec les contraintes de fabrication d’une aube ; et de garantir une bonne durabilité en fatigue et/ou contre la corrosion.
Selon un mode avantageux de l'invention, le matériau métallique est constitué d'aluminium chargé en carbure de silicium et/ou en alumine et/ou contient d’autres charges par exemple des charges minérales. Ces matériaux sont à la fois adaptés au procédé de fabrication par projection, sont bons conducteurs thermiques et sont légers. Préférentiellement, le matériau métallique est principalement constitué d'aluminium issu de la série 1xxx (avec au moins 99% d'aluminium) ou de la série 2xxx (ayant le cuivre comme élément d'alliage principal) ou de la série 6xxx (avec du magnésium et du silicium comme principaux éléments d'alliage).
Selon un mode avantageux de l'invention, à exception du conducteur électrique et du matériau métallique, l'aube est principalement constituée d’un matériau composite à matrice métallique à base d'aluminium. Préférentiellement, la matrice métallique est renforcée avec 10% à 30% en particules de carbure de silicium (SIC). L'aluminium constituant la matrice métallique correspond de préférence à une série 2xxx ou 6xxx.
Selon un mode avantageux de l'invention, le conducteur électrique décrit un motif avec une extrémité libre. Le procédé par projection par gaz froid permet en effet de s'affranchir de certaines limites de conception sur le motif décrit par le conducteur électrique, contrairement à d’autres techniques de fabrication qui peuvent être plus contraignantes.
Selon un mode avantageux de l'invention, le matériau métallique s'étend au plus sur une moitié de l'épaisseur de l'aube. Ainsi, la quantité de matériau métallique reste minoritaire sur l'ensemble de l'aube.
L'invention a également trait à un procédé de fabrication d’une aube de turbomachine, le procédé comprenant : la fabrication d’un corps par forgeage,
fonderie, usinage et/ou fabrication additive ; la mise en place ou le dépôt d'un conducteur électrique sur le corps ; et le recouvrement du conducteur électrique par projection dynamique par gaz froid d'une poudre métallique.
Selon un mode avantageux de l'invention, la fabrication du corps comprend la formation d’une rainure dans le corps, l’étape de mise en place ou de dépôt étant telle que le conducteur électrique est mis en place ou déposé dans la rainure.
Selon un mode avantageux de l'invention, la rainure comprend un profil en U ou en V ou en entonnoir en forme de Y. Un tel profil est simple à réaliser et permet de contribuer au maintien en position du conducteur avant et pendant qu'il est recouvert de matière.
Selon un mode avantageux de l'invention, le recouvrement est tel que le matériau métallique résultant de la projection dynamique par gaz froid d’une poudre métallique remplit la rainure et affleure la surface de l’aube, ou alternativement déborde de la rainure.
Selon un mode avantageux de l'invention, le recouvrement est réalisé à basse pression, le gaz étant préférentiellement porté à une pression comprise entre 3 et 10 bar. Aussi, la vitesse de projection peut être d'environ 300 à 800 m/s. Cela permet d'éviter l’endommagement du conducteur électrique.
Selon un mode avantageux de l'invention, le conducteur électrique comprend deux lignes électriques enrobées d’une gaine isolante. Ces deux lignes peuvent se rejoindre à l'extrémité du conducteur, afin de fermer le circuit électrique.
Selon un mode avantageux de l'invention, le conducteur électrique est constitué d'une couche en poudre de cuivre projetée au moyen d'une projection dynamique par gaz froid. Cette manière de procéder permet une liberté totale sur le motif du conducteur électrique, et permet d'établir des zones « surfaciques » conductrices plus ou moins larges, ou plus ou moins denses, en accord avec les besoins locaux de dégivrage.
Selon un mode avantageux de l'invention, le procédé comprend une étape de maintien en position du conducteur électrique sur le corps et éventuellement dans la rainure, ledit maintien étant assuré par au moins un des moyens suivants : collage ; brasage ; surgainage ; mise en place de pontets ; matage de la rainure ;
utilisation d'une roue combinée à l'outil de projection par gaz froid et microsoudure.
Selon un mode avantageux de l'invention, le recouvrement est tel que le matériau métallique résultant de la projection dynamique par gaz froid d’une poudre 5 métallique constitue en volume au plus 50% du volume total de l'aube.
L'invention a également trait à un compresseur de turbomachine comprenant une aube, remarquable en ce que l'aube est selon l’un des modes de réalisation ci- dessus ou est fabriquée au moins en partie par le procédé d’un des modes de réalisation ci-dessus.
Il est entendu que chaque détail d’un mode de réalisation ci-dessus peut être combiné à chaque autre détail des autres modes de réalisation.
Avantages apportés
Le matériau métallique recouvrant le conducteur électrique par projection dynamique par gaz froid permet d'assurer une meilleure conduction thermique entre le conducteur électrique et le corps de l’aube grâce à absence de porosités et à un choix judicieux des matériaux en présence. Le choix du matériau métallique projeté ainsi que le matériau constituant le corps de l’aube de l'invention permet en outre de garantir une compatibilité mécanique et métallurgique suivie, mais aussi une durabilité avantageuse du conducteur électrique, lui permettant de résister à la fatigue et aux éventuels impacts de corps étrangers en fonctionnement. De plus, les risques liés à la corrosion, galvanique par exemple, et à l'érosion sont évités.
Le conducteur thermique de l'invention permet de dégivrer efficacement l'aube en permettant à cette dernière d'obtenir une température d'environ 5°C en surface, et ce malgré une température extérieure qui peut atteindre -40°C et une vitesse d'écoulement du flux d'air d’environ 800 km/h.
L'aube de l'invention permet de minimiser la quantité de glace accrétée susceptible de se détacher et d'endommager d'autres composants de la turbomachine, permettant ainsi d'éviter l’obstruction de la veine afin de préserver — l’opérabilité de la turbomachine.
Par incidence, l'invention permet d'améliorer les performances des compresseurs d'avions et le rendement global des turbomachines, ce qui se traduit en une baisse de consommation de carburant et des émissions de gaz à effet de serre, réduisant ainsi l'impact environnemental des avions.
Le procédé par projection par gaz froid permet de déposer de la matière sans endommager le conducteur électrique ni l'aube.
Selon un mode avantageux, une reprise d'usinage de l’état de surface obtenu peut être réalisée de manière à assurer la fonction aérodynamique de l'aube.
Le cold spray permet également une bonne homogénéité et une bonne continuité de la matière.
Le cold spray permet une bonne adhésion mécanique (pas de cavité, forte déformation plastique au moment où le matériau se dépose) et une adhésion physico-chimique (métallurgique) avec des matériaux « compatibles » mis en présence l'un de l’autre, par exemple aluminium ou alliage d'aluminium.
Ainsi, il y a une synergie particulière entre le matériau de l’aube, le matériau (ou la gaine) du conducteur électrique et le matériau du cold spray, qui, ensemble, assurent une bonne tenue mécanique et une bonne conductivité thermique.
Brève description des dessins
La figure 1 illustre une vue en coupe d'un compresseur d'une turbomachine comprenant une aube selon l'invention ;
La figure 2 représente un procédé de fabrication de l'aube de la figure 1 selon l'invention ;
La figure 3 représente une vue de face de l'aube de la figure 1 comprenant un conducteur électrique selon l'un des modes de réalisation de l'invention ;
La figure 4 représente une vue partielle en perspective d’un câble correspondant au conducteur électrique de l'aube de la figure 3 ;
La figure 5 est une vue en coupe de l'aube de la figure 3 suivant l’axe A-A selon le premier mode de réalisation de l'invention ;
La figure 6 schématise la formation d’un matériau métallique par projection dynamique par gaz froid d’une poudre métallique ;
La figure 7 illustre une vue en coupe agrandie du câble de la figure 4 disposé dans une rainure de l'aube de la figure 5 ;
La figure 8 est une vue en coupe de l'aube de la figure 3 suivant l'axe A-A selon le deuxième mode de réalisation de l'invention ;
La figure 9 est une vue en coupe de l'aube de la figure 1 suivant l’axe A-A selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
Description détaillée des modes de réalisation
Dans la description qui va suivre, les termes « interne » et « externe » renvoient à un positionnement par rapport à l’axe de rotation d’une turbomachine axiale.
La direction axiale correspond à la direction le long de l'axe de rotation de la turbomachine, les longueurs étant mesurées axialement. Les largeurs sont mesurées selon la circonférence. La direction radiale est perpendiculaire à l'axe de rotation. L’amont et l'aval sont en référence au sens d'écoulement principal du flux dans la turbomachine.
Les dimensions des figures ne sont pas à l’échelle et en particulier les épaisseurs ou les dimensions radiales sont exagérées pour faciliter la lecture des figures.
La figure 1 représente une vue en coupe d’un compresseur 2 d’une turbomachine axiale 4.
La turbomachine 4 peut correspondre à un turboréacteur double-flux, un turbojet, turbofan, turbopropulseur, turbomoteur ou toute autre type de turbomachine à deux flux. Alternativement, la turbomachine 4 peut correspondre à une turbomachine multi-flux, tel qu’un turboréacteur triple-flux non-carénée (CROR « Counter-Rotating Open Rotor » ou USF « Unducted Single Fan »), ou toute autre turbomachine triple-flux.
De préférence, le compresseur 2 correspond à un compresseur basse-pression ou à un compresseur haute-pression (non représenté). La turbomachine 4 comprend, en outre, d'autre composants non représentés dans la figure 1, tels qu'un compresseur haute-pression, une chambre de combustion et un ou plusieurs niveaux de turbines. La ou les turbines entraînent un rotor 6 en rotation.
Le rotor supporte plusieurs rangées d'aubes de rotor 8 associées à des rangées d'aubes de stator 10. La rotation du rotor 6 autour de son axe de rotation X permet ainsi de comprimer un débit d'air progressivement jusqu'à l'entrée de la chambre de combustion.
Une soufflante 12 (partiellement illustrée), est couplée au rotor 6 et génère un flux d'air qui se divise en un flux radialement interne F1, communément appelé flux primaire F1, et en un flux radialement externe F’, pouvant correspondre à un flux secondaire F’ dans le cadre d’une turbomachine double-flux, ou à un flux tertiaire F’ d'une turbomachine 4 du type triple-flux.
Les flux primaire F1 et externe F’ sont séparés par un bec de séparation 14.
Les aubes rotoriques 8 peuvent s'étendre radialement depuis un support rotorique 16 pouvant être de type tambour (tambour monobloc aubagé ou tout autre type de support d’un rotor).
Les aubes statoriques 10 s'étendent essentiellement radialement depuis un carter extérieur 18. Elles peuvent y être fixées et immobilisées à l’aide d’axes de fixation 20. Elles traversent radialement le flux primaire F1.
Le compresseur basse-pression 2 comprend à l'entrée de la veine 22 de flux primaire F1, une rangée d’aubes 9, 109, 209 statoriques de redressement pouvant être fixes ou à calage variable, communément désignée par aube VSV (pour « Variable Stator Vane »). Le calage variable des aubes 9, 109, 209 peut être assuré au moyen d'un système d'actionnement (non illustré) régulant l'angle formé par les aubes 9, 109, 209 autour d'un axe 24.
Chaque aube 9, 109, 209 comprend une pale 11 et deux plateformes 26 et disposées aux deux extrémités de la pale 11. Chaque plateforme 26 est pourvue d'un tourillon 28 assurant une liaison pivot avec les carters 18, 30, les plateformes 26 étant logées dans des logements 31 de ces carters 18, 30. Une surface extérieure 18.1 et une surface de guidage inférieure 30.1 délimitent la veine 22.
Dans cette partie amont de la turbomachine, certains éléments sont sujet au givre. Ainsi, l'aube 9, 109, 209 de l'invention comprend un moyen de dégivrage.
L'invention ne se limite pas aux aubes VSV 9, 109, 209, mais peut également être appliquée à d'autres aubes, VSV ou non, statoriques ou non.
La figure 2 représente un procédé de fabrication 100 partiel de l’aube 9, 109, 209 de la figure 1. Le procédé est « partiel » dans le sens où d’autres étapes peuvent survenir, avant ou après, celles qui sont ici décrites.
Le procédé 100 comprend une première étape 102 correspondant à la fabrication du corps de l'aube par au moins une des techniques de fabrication suivantes : forgeage, fonderie, moulage, usinage, tressage de fibres et/ou fabrication additive. Par exemple, l'aube forgée ou moulée peut être usinée afin d'obtenir les tolérances de fabrication adéquates. Ou l'aube peut être intégralement obtenue par fabrication additive avec ou sans reprise d'usinage.
L’aube de la présente invention peut être principalement constituée d’un matériau composite à matrice métallique.
Préférentiellement, le matériau composite à matrice métallique constituant l'aube comprend une base en aluminium renforcée en particules de carbure de silicium (SIC) (10 à 30% de SiC par volume).
L’'aluminium constituant la matrice métallique peut être issue de la série 2xxx (ayant le cuivre comme élément d’alliage principal) ou de la série 6xxx (avec du magnésium et du silicium comme principal alliage).
Le matériau composite constituant l’aube de l'invention peut correspondre à un ou plusieurs éléments parmi : 2009/SiC/15p-T4, 6092/SiC/17,5p-T6, 6092/SiC/25p-T6, 2124/SiC/25p-T4, etc.
Alternativement, l’aube peut être constituée à partir d’un matériau composite ayant une base en titane, et plus précisément en alliage de titane du type TA6V.
Le matériau composite peut avoir une résistance à la fatigue à grand nombre de cycles (« HCF ») qui est très supérieure à celle de l'aluminium, tout en ayant une densité proche de ce dernier. La raideur de l'aube peut ainsi être proche de celle du titane (classiquement utilisé pour fabriquer les aubes de turbomachines) tout en ayant de meilleures propriétés intrinsèques, telle qu'une meilleure conductivité thermique, ce qui est bénéfique pour le dégivrage de l'aube.
L'étape 102 de fabrication du corps de l'aube peut comprendre la réalisation d'une rainure optionnelle dans le corps de l'aube et s'étendant en particulier le long de la pale 11, la rainure débouchant sur l’'extrados ou sur l'intrados de la pale 11.
Le procédé 100 comprend ensuite une étape 104 de mise en place ou de dépôt d'un conducteur électrique sur le corps de l'aube fabriquée à l'étape 102.
Pour les aubes 9 et 109 selon les premier et deuxième modes de réalisation de l'invention illustrés à la figure 3, le conducteur électrique correspond à un câble électrique et l'étape 104 consiste en la mise en place du conducteur électrique sur l'aube, voire dans une rainure établie dans le corps de l’aube. Pour l’aube 209 selon le troisième mode de réalisation illustrée à la figure 9, l'étape 104 consiste à déposer le conducteur électrique en projetant une couche de cuivre.
L'étape 106 consiste à recouvrir le conducteur au moyen d’un métal projeté, et l'étape 108 optionnelle consiste à maintenir le câble avant et partiellement pendant sa couverture par du métal. Ces étapes seront discutées plus loin.
En référence à la figure 3, la pale 11 de l'aube 9, 109 comprend un bord d'attaque 11.1 et un bord de fuite 11.2, ainsi qu'un intrados 11.3 et un extrados 11.4 s'étendant depuis le bord d'attaque 11.1 jusqu’au bord de fuite 11.2.
L’aube 9, 109 comprend un câble électrique 32 constituant le conducteur électrique de dégivrage. Le câble 32 s'étend préférentiellement sur l’intrados 11.3 et suivant un chemin sinueux correspondant sensiblement à un motif en spirale et/ou en serpentin comprenant une partie proximale 32.1 adjacente à la plateforme 26 en tête d’aube et une partie distale 32.2 proche de la plateforme 26 en pied d’aube.
Le câble 32 peut s'étendre sur toute une surface de la pale 11 ou, comme illustré, être confiné à une moitié amont de la pale 11. Le câble peut s'étendre sur environ 80% (+10%) d’une hauteur H de la pale 11.
Préférentiellement, le profil de l'aube 9, 109 est élancé avec un ratio H/C (hauteur sur corde) supérieur à 5, et une épaisseur supérieure à 2 mm et inférieure à 4 mm. Par exemple, la hauteur H peut être égale à 200 mm et la corde C peut varier de 20 mm à 40 mm.
Le câble 32 ne traverse préférentiellement qu'une seule fois la plateforme supérieure 26 pour rejoindre une source électrique (non illustrée). À cet égard,
un orifice traversant l'intrados 11.3 et la plateforme 26 peut être disposé au droit de la partie proximale 32.1.
Optionnellement, et comme illustré en figure 3, un segment du câble peut s’étendre selon | 'axe 24 de pivotement de l'aube 9, 109, ou un axe 11.5 médian de la pale 11. Le câble 32 comprend, en outre, une portion non linéaire 32.3, voisine de la portion proximale 32.1.
Le motif décrit par le câble 32 peut ainsi comprendre un premier segment 33 selon l'axe 11.5, et s'étendant jusqu'à la partie distale 32.2 ; puis un deuxième segment 33.1, parallèle et voisin du bord d'attaque 11.1.
Un troisième segment 33.2, relié au second 33.1 par une portion arrondie 32.4, peut être intercalé entre les deux premiers segments 33, 33.1. D'autres configurations sont possibles, et cette configuration en « spirale » peut être complétée par des segments supplémentaires.
Préférentiellement, le troisième segment 33.2 du câble 32 s'étend dans une position centrale entre le premier 33 et le deuxième segment 33.1, de manière à maintenir latéralement (suivant la direction axiale de la turbomachine) une distance identique. Cela permet avantageusement de dégivrer de manière homogène toute la moitié de l'aube 9, 109, chaque unité de surface « voyant » une même densité de câble et donc d'énergie. L'autre partie de l’aube (qui est beaucoup plus fine) sans câble sera néanmoins dégivrée par conduction thermique.
Le motif en « spirale » du câble 32 se termine préférentiellement par une extrémité libre 32.5. Cette dernière est avantageusement disposée à environ un tiers de la hauteur H mesurée à partir de la plateforme inférieure 26 en pied d'aube 9, 109. Avantageusement, cela permet de garder une densité de surface couverte par le câble 32 qui soit répartie de façon homogène suivant l'étendue radial de l'aube 9, 109, afin de dégivrer de façon uniforme toute la hauteur H la pale.
Une terminaison libre 32.5 est possible lorsque le câble 32 comprend deux lignes — électriques 34 aptes à être reliées entre elles au droit de l'extrémité distale 32.5.
A cette fin, la figure 4 illustre ces lignes 34, la figure 4 étant une vue partielle en perspective du câble 32 de l’aube de la figure 3.
On peut voir que les deux lignes électriques 34 correspondent à deux fils métalliques chauffant 34 qui sont recouverts d'une couche isolante 36, cette dernière étant préférentiellement constituée de poudre de magnésie permettant d'isoler électriquement les deux fils 34 afin de permettre uniquement une diffusion d'énergie thermique vers la pale de l'aube de l'invention.
Les fils 34 et la couche isolante 36 sont recouverts d’une gaine métallique 38 de protection, ladite gaine 38 pouvant être en inox ou en alliage d'aluminium ou en
Inconel® (superalliage contenant principalement du nickel). A cet effet, le câble 32 est avantageusement un câble résistif blindé. Le diamètre de la gaine 38 peut être de l’ordre de 0,5 mm à 2 mm.
La figure 5 est une vue en coupe suivant l’axe A-A de l'aube 9 de la figure 3 selon le premier mode de réalisation de l'invention.
On peut voir sur la figure 5 que l'aube 9 comprend une rainure 40 recevant le câble 32. A cet égard, et en référence au procédé 100 de la figure 2, l'étape 104 de mise en place du conducteur électrique dans le corps de l’aube 9 comprend la mise en place du câble 32 dans la rainure 40, et l'étape 102 de fabrication du corps comprend la formation de la rainure 40 dans le corps.
Avantageusement, la rainure 40 permet de faciliter le montage de l’aube 9, d'augmenter la conductivité thermique puisque le câble 32 est noyé dans l’aube 9 entre l'intrados 11.3 et l'extrados 11.4, et de conserver une surface extrados ou intrados lisse et sans aspérité (post reprise d'usinage).
Préférentiellement, la profondeur de la rainure 40 est constante sur toute l'aube.
La rainure 40 est recouverte par un matériau de comblement 42 correspondant avantageusement à une poudre métallique qui affleure l'intrados 11.3.
En effet, le procédé 100 de fabrication de l'aube 9 comprend une étape 108 de recouvrement du conducteur électrique 32 par un matériau métallique. Le revêtement métallique est obtenu par projection dynamique par gaz froid d’une — poudre métallique.
La projection dynamique par gaz froid, aussi qualifiée par sa dénomination anglophone « cold spray », est un procédé d'élaboration de revêtement à partir de poudre en suspension dans un gaz projeté à haute vitesse et se déformant à l'impact.
La figure 6 schématise le principe de la formation du matériau métallique par le procédé cold spray.
La partie gauche de la figure 6 illustre la projection d’une particule 44 de poudre métallique à l'état solide comprenant une taille allant de 10 um à 100 um, et projetée à une vitesse comprise entre 300 à 1400 m/s. Un impact supersonique
S sur un substrat 46 est attendu. Dans le cadre de l'invention, le substrat 46 est le corps de l’aube 9, 109, 209 ainsi que le conducteur électrique.
On peut voir au niveau de la partie centrale de la figure 6 que l'impact supersonique a causé une déformation plastique 47 de la particule 44 et du substrat 46, cette déformation est suivie d’une génération de chaleur transférée à travers le substrat 46. Dans cette configuration, une projection successive de particules 44 génère une déformation successive desdites particules 44 suivie d'un transfert de chaleur isotrope, formant ainsi une couche 48 comprenant des particules 44 liées par déformation plastique.
Les éléments de poudre successifs s'agglomèrent sans cavité entre eux. Ils deviennent mécaniquement et métallurgiquement solidaires via leur déformation plastique.
Il est ainsi possible de déceler ce procédé de fabrication sur la pièce finie, de par l'observation des grains déformés et l'absence de cavité entre des strates successives résultant de la déformation plastique à l'impact.
La figure 7 illustre une vue en coupe agrandie de la figure 5, montrant en particulier le câble 32 dans sa rainure 40.
Le conducteur électrique 32 est recouvert du matériau métallique 42 projeté par le procédé cold spray. Préférentiellement, la poudre métallique du matériau 42 recouvrant le câble 32 est constituée principalement d'aluminium, ce dernier étant préférentiellement issu de la série 1xxx (avec au moins 99% d'aluminium)
ou de la série 2xxx ou 6xxx, et cela avec ou sans chargement en billes de carbure de silicium (SIC) et/ou en billes d'alumine (Al203) et/ou en d'autres charges.
Le chargement en SIC et/ou en Al2O3 et/ou d'autres charges peut être choisi en fonction de la pression utilisée lors du cold spray. En effet, le cold spray est réalisé au moyen d’un gaz inerte (azote et/ou hélium) ou d'air pressurisé entre 4 et 60 bars chauffé entre 500°C et 1000°C. On parle de haute pression quand le gaz est entre 10 et 60 bars, le chargement en billes devient alors facultatif et l'aluminium est de préférence de la série 6xxx.
Pour la présente invention, le cold spray à basse pression est privilégié, notamment entre 3 et 10 bars, la poudre étant propulsée à une vitesse d'environ 300 à 800 m/s. Cela permet de manière avantageuse d'éviter l'endommagement de la gaine 38 du câble 32 et d’avoir un cordon étroit de matière déposé.
Le cold spray permet de garantir une bonne adhérence du matériau 42 sur l’aube, ledit matériau 42 projeté étant compact et dense (avec un taux de porosité généralement inférieur à 1%), permet de maintenir et de protéger efficacement le conducteur électrique.
Le matériau 42 peut être apte à subir un traitement de surface de l'aube, par exemple, une anodisation.
Le matériau 42 peut affleurer la surface de l'aube. Alternativement, le matériau 42 peut dépasser la rainure 40 pour venir couvrir une partie ou toute la surface 11.3 de l'aube 9.
Le remplissage visé de la rainure 40 est complet, c'est-à-dire que l'aube est dépourvue de cavité. Le câble 32 et le matériau de remplissage 42 peuvent être les deux seuls éléments dans la rainure.
La figure 7 illustre une rainure 40 ayant un fond hémisphérique, de diamètre légèrement supérieur au diamètre externe du câble 32. Le fond peut alternativement être droit.
Le câble 32 peut optionnellement être surgainé pour le protéger encore d'avantage lors de l'étape de cold spray ou pour faciliter le maintien du câble par déformation de la gaine ou pour limiter le nombre de matériaux en contact.
Les flancs de la rainure 40 peuvent être droits, de sorte que le profil de la rainure 40 est un U. Alternativement (voir pointillés sur la figure 7), le profil de la rainure (noté 41) peut être en V ou en Y (type entonnoir).
Une forme en V permet une plus grande flexibilité dans le choix de la direction de la projection durant le cold spray.
De préférence, les parois latérales de la rainure 41 en V ont une inclinaison par rapport à la direction perpendiculaire à l’intrados 11.3 qui est comprise entre 10° et 60°.
Le câble 32 est maintenu au plus près du fond. A cet égard, et en référence au procédé 100 de la figure 2, le procédé comprend postérieurement à l'étape 104 de mise en place du câble dans la rainure, et en parallèle de la projection cold spray une étape 108 de maintien en position du câble 32. Le maintien en position 108 débute avant le cold spray 106 et peut s'achever avant de terminer l’étape de cold spray 106. L'étape de maintien 108 peut comprendre le maintien du câble 32 dans la rainure 40. Différentes techniques peuvent être employées, comme par exemple : collage ; brasage ; surgainage ; mise en place de pontets ; matage de la rainure ; utilisation d’une roue combinée à l'outil de projection par gaz froid, microsoudure.
Par exemple, quelques points de colle ou de brasage peuvent être faits pour maintenir le câble dans la rainure, puis l'étape de cold spray est effectuée.
Dans une variante, quelques pontets peuvent être disposés à des intervalles réguliers sur le chemin de câble 32, puis, petit à petit lors du cold spray, les pontets devenus superflus sont enlevés.
Dans une variante, un surgainage vient coincer la gaine du câble dans le fond de la rainure.
Dans une autre variante les flancs de la rainure sont matés (deformes plastiquement), localement, pour réduire ouverture de la rainure et empêcher au câble d'en sortir.
Une autre technique possible consiste à mater un fil au-dessus du câble 32. Le fil peut être en aluminium ou en nickel (ou tout autre matériau malléable). Le fil maté maintient le câble 32 au fond de la rainure. S'en suit le cold spray, le fil étant noyé dans la matière avec le câble 32.
D'autres alternatives pour maintenir le câble 32 comprennent la réalisation d’un microsoudage laser ou de points de brasage tendre ; ou la réalisation de points de soudure via un condensateur à bille (microliaison soudée).
Enfin toute combinaison de deux au moins de ces techniques peut être envisagée.
La figure 8 est une vue en coupe de l'aube de la figure 3 suivant l'axe A-A. Dans ce deuxième mode de réalisation de l'invention, les numéros sont incrémentés de 100 pour désigner des éléments distinctifs ou présentant des différences par rapport au premier mode de réalisation de la figure 5.
L'aube 109 comprend une rainure 140 recevant le câble 32. Contrairement à l'exemple de la figure 5, la rainure 140 ne suit pas le chemin parcouru par le câble 32 puisque la rainure 40 est suffisamment large pour recevoir l'intégralité du motif en serpentin (ou d'autre forme).
Avantageusement, la rainure 140 peut être rapidement comblée par le matériau métallique 42, par exemple, au moyen d’une buse de projection de l’outil réalisant le cold spray qui est plus grande que celle réalisant la projection sur l'aube 9.
Dans cette configuration, le volume de poudre projeté pour constituer le matériau 42 peut atteindre jusqu’à 50% du volume total de l'aube 109.
A cet égard, l'aube 109 peut être obtenue au moyen de la succession des étapes 102, 104, 106 et 108 du procédé 100 illustré à la figure 2, similairement à l'aube 9 selon le premier mode de réalisation.
On peut voir que le fond 140.1 de la rainure 140 est plat, et le câble 32 est directement déposé sur le fond plat 140.1. Une rainure plus grande par rapport à la figure 5 permet ici une plus grande tolérance de fabrication sur la rainure et une plus grande facilité pour insérer le câble dans la rainure.
La figure 9 est une vue en coupe de l'aube 209 de la figure 1 suivant l'axe A-A selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
L'aube 209 peut comprendre la rainure 140 similairement à l'aube 109. Dans cette configuration, le conducteur électrique 232 de l'aube 209 correspond à une couche en poudre de cuivre projetée au moyen d’une projection dynamique par gaz froid. Avantageusement, le conducteur 232 comprend une excellente conductivité thermique grâce au cuivre qui la constitue.
A cet effet, l'étape 104 consiste, pour l'aube 209 à déposer le conducteur électrique 232. L'étape 106 du procédé 100 illustré à la figure 2 consiste dans ce cas à recouvrir la couche de cuivre d'une poudre métallique projetée par gaz froid. Dans cette configuration, le conducteur électrique 232 projeté n'a pas besoin d'un maintien en position (étape 108) avant son recouvrement par le matériau métallique 42.
Le conducteur électrique 232 peut rejoindre la source électrique (non illustrée) au moyen d'un orifice traversant l'intrados et la plateforme de manière similaire aux premier et deuxième modes de réalisation de l'invention.
Une isolation électrique (non représentée) peut être disposée entre le conducteur électrique 232 et le matériau 42 afin d'isoler électriquement ce dernier. Cette isolation peut correspondre à une couche en poudre de magnésie.
Si la figure 9 illustre un profil large pour la couche de cuivre — et donc une bande plutôt qu’une trajectoire linéaire, la couche de cuivre peut alternativement être plus étroite et décrire une trajectoire comme celle de la figure 3.
Alternativement au matériau métallique projeté par cold spray, le conducteur électrique peut être couvert par brasage. La brasure permet d'assurer un bon transfert thermique entre le conducteur dégivrant et l'aube. Une reprise d'usinage optionnelle (polissage par exemple) peut être nécessaire.
Une autre alternative au matériau métallique projeté par cold spray peut être l'injection de résine pour assurer le recouvrement du conducteur électrique.
Il est à noter que l'invention a été présentée pour le dégivrage d'une aube mais l'homme du métier adapterait les mêmes enseignements pour dégivrer toute autre partie de la turbomachine (virole, carter, bras structuraux, bec de séparation du flux, etc.), en déposant un conducteur électrique puis en le recouvrant par projection par gaz froid.

Claims (15)

Revendications
1. Aube (9 ; 109 ; 209) de turbomachine (4) caractérisée en ce qu'elle comprend un conducteur électrique (32 ; 232) intégralement recouvert de matériau métallique (42) formé par projection dynamique par gaz froid d’une poudre métallique.
2. Aube (9; 109 ; 209) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau métallique (42) est constitué d'aluminium chargé en carbure de silicium et/ou en alumine et/ou contient d’autres charges.
3. Aube (9 ; 109 ; 209) selon lune des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'à l'exception du conducteur électrique (32 ; 232) et du matériau métallique (42), l’aube (9; 109; 209) est principalement constituée d'un matériau composite à matrice métallique à base d'aluminium.
4. Aube (9 ; 109 ; 209) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le conducteur électrique (32 ; 232) décrit un motif avec une extrémité libre (32.5).
5. Aube (9 ; 109 ; 209) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau métallique (42) s'étend au plus sur une moitié de l'épaisseur de l'aube.
6. Procédé (100) de fabrication d’une aube (9 ; 109 ; 209) de turbomachine (4), le procédé (100) comprenant : - la fabrication (102) d’un corps par forgeage, fonderie, usinage et/ou fabrication additive : - la mise en place (104) ou le dépôt d'un conducteur électrique (32 ; 232) sur le corps ; et - le recouvrement (108) du conducteur électrique (32 ; 232) par projection dynamique par gaz froid d'une poudre métallique.
7. Procédé (100) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la fabrication du corps comprend la formation d’une rainure (40 ; 41 ; 140) dans le corps,
l'étape de mise en place (104) ou de dépôt étant telle que le conducteur électrique (32) est mis en place ou déposé dans la rainure (40 ; 41 ; 140).
8. Procédé (100) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la rainure (40 ; 41 ; 140) comprend un profil en U ou en V ou en entonnoir en forme de Y.
9. Procédé (100) selon lune des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le recouvrement (108) est tel que le matériau métallique (42) résultant de la projection dynamique par gaz froid d’une poudre métallique remplit la rainure (40 ; 41; 140) et affleure la surface (11.3) de l'aube (9; 109; 209), ou alternativement déborde de la rainure (40 ; 41 ; 140).
10. Procédé (100) selon l’une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le recouvrement (108) est réalisé à basse pression, le gaz étant préférentiellement porté à une pression comprise entre 3 et 10 bar.
11. Procédé (100) selon l’une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que le conducteur électrique (32) comprend deux lignes électriques (34) enrobées d’une gaine (38) isolante.
12. Procédé (100) selon l’une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que le conducteur électrique (232) est constitué d’une couche en poudre de cuivre projetée au moyen d’une projection dynamique par gaz froid.
13. Procédé (100) selon l’une des revendications 6 à 11, caractérisé en ce qu’il comprend une étape (106) de maintien en position du conducteur électrique (32) sur le corps et éventuellement dans la rainure (40 ; 41 ; 140), ledit maintien (106) étant assuré par au moins un des moyens suivants : collage ; brasage ; surgainage ; mise en place de pontets ; matage de la rainure (40 ; 41 ; 141) ; utilisation d’une roue combinée à l'outil de projection par gaz froid ; microsoudure.
14. Procédé (100) selon l’une des revendications 6 à 13, caractérisé en ce que le recouvrement est tel que le matériau métallique (42) résultant de la projection dynamique par gaz froid d’une poudre métallique constitue en volume au plus 50% du volume total de l'aube (9 ; 109 ; 209).
15. Compresseur (2) de turbomachine (4) comprenant une aube (9 ; 109 ; 209), le compresseur étant caractérisé en ce que l'aube (9 ; 109 ; 209) est selon l'une des revendications 1 à 5 ou est fabriquée au moins partiellement par le procédé selon l’une des revendications 6 à 14.
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