FR3123825A1 - Aube de soufflante en matériau composite recouverte d’un film comme protection anti-érosion - Google Patents

Aube de soufflante en matériau composite recouverte d’un film comme protection anti-érosion Download PDF

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Matthieu Patrick Jean Roger Perlin
Florian HAMEL- - MONCHOT
Romain Plante
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Abstract

L’invention concerne une aube de turbomachine, comprenant : - un corps d’aube (15) en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice organique ; - des moyens de protection contre l’érosion, disposés sur le corps d’aube ; caractérisée en ce que les moyens de protection contre l’érosion sont constitué par un film (25), qui recouvre la surface à protéger du corps d’aube, le film étant un film en éthylène chlorotrifluoroéthylène (ECTFE). Figure pour l’abrégé : figure 3

Description

aube de soufflante en matériau composite recouverte d’un film en polyfluorure de vinyle ou en éthylène chlorotrifluoroéthylène comme protection anti-érosion
La présente invention concerne le domaine des aubes de soufflante et leur protection contre l’érosion.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans le cadre de la présente invention, on s’intéresse aux aubes de soufflante réalisées en matériau composite, le matériau composite étant formé à partir d’une préforme 3D (généralement une préforme tissée 3D) imprégnée par une résine thermodurcissable. On s’intéresse en particulier aux aubes de soufflante pour les moteurs LEAP (pour « Leading Edge Aviation Propulsion » en anglais), qui sont généralement formées d’une préforme tissée 3D en fibres de carbone, imprégnée d’une résine époxyde.
La surface des aubes de soufflante en matériau composite doit être protégée, notamment contre l’érosion. En référence à la est représenté un exemple d’un corps d’aube 15 en matériau composite pour soufflante de turbomachine. Le corps d’aube 15 comporte notamment un intrados 16, un extrados (non visible sur la figure), un bord d’attaque 17, un pied 18, une tête 19, un sommet 20. Le corps d’aube 15 est obtenu par injection RTM (pour « Resin Transfer Moulding » en anglais) d’une préforme tissée 3D. La préforme est constituée de fibres ou de filaments, qui sont liés entre eux par une résine thermodurcissable, par exemple une résine époxyde. Les filaments ou fibres peuvent être en carbone ou bien en verre, silice, carbure de silicium, alumine, etc.
Actuellement, les corps d’aubes de soufflante en matériau composite sont recouverts, à l’extrados ( ), d’une sous-couche appelée primaire d’accroche 21, qui est elle-même recouverte d’une couche de peinture anti-érosion 22 et, à l’intrados ( ), d’une couche de colle 23 recouverte d’un film anti-érosion en polyuréthane 24, qui est recouvert d’un primaire d’accroche 21, lui-même recouvert d’une couche de peinture anti-érosion 22.
Comme précisé, le rôle de la couche de peinture et du film en polyuréthane est principalement d’assurer une fonction anti-érosion.
En ce qui concerne la peinture, celle qui est actuellement utilisée sur les aubes de soufflante en matériau composite à préforme tissée 3D porte la référence LBYH 203, produite par Mäder. Cette peinture possède les mêmes performances que la peinture de référence PRIAM 32005, produite par Mäder, mais elle a en outre l’avantage d’être conforme à la directive européenne REACH (règlement sur l’utilisation des substances chimiques, qui notamment interdit l’utilisation de chrome (VI) dans les produits).
La tenue de cette peinture reste aléatoire, comme en témoigne les retours d’expérience des aubes en service qui montrent que la dégradation de la peinture de finition, en particulier à l’intrados, est importante. En particulier, on constate qu’à partir de 1000 cycles, les forces engendrées en vol amènent la peinture à peler et à s’arracher par plaques.
La couche de peinture ne joue donc actuellement pas son rôle d’anti-érosion puisqu’elle est arrachée avant de pouvoir être consommée par érosion.
Par ailleurs, l’application de la peinture anti-érosion demande beaucoup d’opérations pour son application et ces opérations sont particulièrement difficiles à maitriser (préparation de surface, application du primaire d’accroche, nouvelle préparation de surface, dépôt de la peinture, etc.).
La perte de peinture n’étant pas autorisée par les standards d’inspections qualité ESM (pour « Engine shop manual » en anglais), une aube en service devra être presque systématiquement réparée lors d’une visite de maintenance, impliquant un retrait et une ré-application de l’ensemble primaire d’accroche et couche de peinture.
En conclusion, même si la peinture possède de très bonnes performances anti-érosion et à l’impact, elle ne peut pas jouer son rôle d’anti-érosion puisqu’elle s’arrache en vol. En outre, l’application de la peinture anti-érosion implique de nombreuses opérations (préparation de surface, application du primaire, séchage puis cuisson du primaire, ponçage du primaire, application de la peinture, séchage puis cuisson de la peinture), générant des conditions de fabrication significatives qui sont difficilement maitrisables.
En ce qui concerne le film en polyuréthane, il est relativement épais (environ 250 µm) et nécessite la présence d’une couche de colle (d’environ 100 µm). L’ensemble impacte donc la géométrie et la finesse de l’aube de soufflante.
De plus, le procédé de réparation du film en polyuréthane est difficile à mettre en œuvre, puisqu’il requiert des cycles de polymérisation de 3 heures à 150°C, là où l’aube de soufflante est limitée, pour toute sa vie en réparation, à 3 heures au-dessus de 120°C. Ainsi, une seule réparation est autorisée avec le cycle connu de production.
Par conséquent, même si le film polyuréthane possède de très bonnes caractéristiques pour sa tenue à l’impact, sa tenue anti-érosion est moins bonne que d’autres matériaux et nécessite un procédé de collage extrêmement lourd (collage sous autoclave à 150°C), ce qui le rend difficilement réparable.
Enfin, que ce soit pour le dépôt de la couche de peinture ou pour le collage du film en polyuréthane, une préparation de surface par sablage est nécessaire. Or, la préparation par sablage est difficile à maitriser, étant donné qu’on ne doit pas retirer plus de 40 µm d’épaisseur sur chaque face du corps d’aube en matériau composite (que ce soit au cours de la production ou de la réparation de l’aube).
Au final, ces empilements de couches successives, censés protéger le matériau composite du corps de l’aube de l’érosion, sont partiellement inefficaces et engendrent des procédés de mise en œuvre extrêmement lourds à mettre en place et difficilement maitrisables.
La présente invention vise à fournir une solution de protection contre l’érosion du corps d’une aube en matériau composite, qui soit plus performante que le film en polyuréthane actuellement utilisé, et qui présente une meilleure tenue en vol que la peinture actuellement utilisée. Elle vise également à fournir une alternative à l’empilement complexe et parfois peu efficace actuellement réalisé sur les aubes de soufflante en matériau composite pour régler le problème de l’érosion.
Pour ce faire, l’invention a pour objet une aube de turbomachine, comprenant :
- un corps d’aube en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice organique ;
- des moyens de protection contre l’érosion, disposés sur le corps d’aube ;
caractérisée en ce que les moyens de protection contre l’érosion sont constitué par un film, qui recouvre la surface à protéger du corps d’aube, le film étant choisi parmi un film en polyfluorure de vinyle (PVF) ou un film en éthylène chlorotrifluoroéthylène (ECTFE).
Ainsi, contrairement à l’art antérieur, les moyens de protection contre l’érosion sont uniquement un film en polyfluorure de vinyle (PVF) ou un film en éthylène chlorotrifluoroéthylène, à l’exclusion d’un film en polyuréthane, ou d’une couche de peinture.
De préférence, le film est un film en éthylène chlorotrifluoroéthylène (ECTFE).
De préférence, le film en polyfluorure de vinyle (PVF) ou en éthylène chlorotrifluoroéthylène recouvre l’ensemble de la surface du corps d’aube.
Pour rappel, le polyfluorure de vinyle (PVF) est un polymère du fluorure de vinyle et est commercialisé sous le nom TedlarTM; l’éthylène chlorotrifluoroéthylène (ECTFE) est un copolymère thermoplastique d’éthylène et de chlorotrifluoroéthylène et est commercialisé sous le nom HalarTM.
L’invention a également pour objet un procédé de protection contre l’érosion d’une aube de turbomachine, l’aube ayant un corps d’aube en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice organique, le procédé comprenant la formation du corps d’aube par :
- fourniture d’une préforme du corps de l’aube à réaliser, la préforme étant réalisée à partir de fibres ;
- placement de la préforme dans la cavité d’un moule adapté pour un moulage par transfert de résine (RTM) ;
- densification de la préforme par injection d’une résine dans le moule et chauffage du moule contenant la préforme imprégnée, avec une éventuelle mise sous pression du moule, moyennant quoi on obtient la polymérisation de la résine ;
le procédé comprenant en outre, avant le placement de la préforme dans le moule, le placement d’un film choisi parmi un film en polyfluorure de vinyle (PVF) ou un film en éthylène chlorotrifluoroéthylène sur chacune des parois intérieures du moule délimitant la cavité, le chauffage du moule provoquant également la polymérisation de chaque film.
Un autre objet de l’invention est un procédé de protection contre l’érosion d’une aube de turbomachine, l’aube ayant un corps d’aube en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice organique, le procédé comprenant la formation du corps d’aube par :
- fourniture d’une préforme du corps de l’aube à réaliser, la préforme étant réalisée à partir de fibres ;
- placement de la préforme dans la cavité d’un moule adapté pour un moulage par transfert de résine (RTM) ;
- densification de la préforme par injection d’une résine dans le moule et chauffage du moule contenant la préforme imprégnée, avec une éventuelle mise sous pression du moule, moyennant quoi on obtient la polymérisation de la résine ;
le procédé comprenant en outre, après la densification de la préforme :
- la préparation de la surface du corps d’aube par sablage ;
- l’application d’une couche de colle sur la surface du corps d’aube ;
- l’application d’un film choisi parmi un film en polyfluorure de vinyle (PVF) ou un film en éthylène chlorotrifluoroéthylène sur la couche de colle, de manière à recouvrir la surface à protéger du corps d’aube.
Avantageusement, dans les deux procédés ci-dessus, la préforme est tissée en trois dimensions à partir de fibres.
De manière connue, la fourniture de la préforme peut comprendre la réalisation d’une ébauche fibreuse par tissage d’une pluralité de fibres, suivie de la mise en forme de l’ébauche fibreuse.
La polymérisation de la résine permet la formation de la matrice organique du matériau composite.
Enfin, l’invention concerne une turbomachine équipée d’une aube telle que décrite ci-dessus ou protégée contre l’érosion selon l’un ou l’autre des procédés décrits ci-dessus.
Le fait d’utiliser un film en polyfluorure de vinyle (ou film TedlarTM) ou, de préférence, un film en éthylène chlorotrifluoroéthylène (ou film HalarTM), permet de simplifier le procédé de fabrication des aubes en matériau composite, puisque le film TedlarTMou HalarTMremplace le film en polyuréthane et la couche de peinture. On réduit donc le nombre d’étapes nécessaires à la protection de l’aube contre l’érosion.
Dans le cas d’un film en éthylène chlorotrifluoroéthylène de type HalarTM, cela permet également de réduire le nombre de réparations en service, un film HalarTMétant plus efficace pour la protection contre l’érosion qu’un film en polyuréthane ou qu’une couche de peinture de même épaisseur (comme nous l’avons vu plus haut, la couche de peinture se détache avant d’être consommée par érosion).
En outre, cela permet de réduire le nombre de retouches en production. En effet, comme nous l’avons déjà mentionné, dans l’art antérieur, la pose d’une couche de peinture anti-érosion nécessite de nombreuses opérations, ce qui engendre des anomalies et des non conformités, qui nécessitent des retouches en production. L’absence d’une couche de peinture anti-érosion dans le procédé selon l’invention évite ces non conformités. D’autre part, dans l’art antérieur, lors du collage d’un film en polyuréthane, il y a peu de non conformités, mais on peut observer la présence d’anomalies (trous) dans le film. La retouche du film en polyuréthane consiste alors à retirer le film endommagé, puis à recoller un nouveau film, mais cette étape de retouche est longue. L’absence d’un film en polyuréthane dans le procédé selon l’invention évite ces éventuelles étapes de retouche.
Enfin, cela réduit le nombre d’aubes non conformes puisqu’on réduit, voire évite, les étapes difficilement maitrisables (en particulier le sablage).
D'autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés parmi lesquels :
- , déjà décrite, est une vue schématique d’un corps d’aube de soufflante ;
- est une vue schématique en coupe dans l’épaisseur du corps d’aube montrant l’empilement des couches au niveau de l’extrados selon l’art antérieur ;
- est une vue schématique en coupe dans l’épaisseur du corps d’aube montrant l’empilement des couches au niveau de l’intrados selon l’art antérieur ;
- est une vue schématique en coupe dans l’épaisseur du corps d’aube selon un premier mode de réalisation de l’invention montrant le film en éthylène chlorotrifluoroéthylène recouvrant la surface du corps d’aube ;
- est une vue schématique en coupe dans l’épaisseur du corps d’aube selon un deuxième mode de réalisation de l’invention montrant le film en éthylène chlorotrifluoroéthylène, disposé sur une couche de colle, et recouvrant la surface du corps d’aube.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Des tests ont été réalisés pour une même épaisseur de peinture ou de film (TedlarTM, HalarTMou polyuréthane). On peut ainsi voir les performances d’un film TedlarTMou d’un film HalarTMen comparaison avec un film en polyuréthane et une couche de peinture anti-érosion.
Les résultats obtenus sont regroupés dans le tableau 1 ci-dessous.
L’exigence minimale prescrite est un coefficient d’érosion de 40 g/µm. Par ailleurs, plus le coefficient est élevé, plus la tenue à l’érosion est bonne.
Ces tests ont montré qu’un film HalarTMse consomme deux fois moins vite qu’un film en polyuréthane de même épaisseur. Ainsi, en divisant par deux l’épaisseur du film en polyuréthane actuellement utilisé sur les aubes et en le remplaçant par un film HalarTM, le résultat sur l’anti-érosion serait le même qu’actuellement.
Ces tests ont également montré qu’un film TedlarTMprésente un coefficient d’érosion meilleur que le film en polyuréthane, mais pas aussi performant qu’un film HalarTM.
En ce qui concerne la couche de peinture, nous avons réalisé les tests sur la peinture PRIAM 32005, qui a des performances proche de la peinture LBYH203 actuellement utilisée pour les aubes de soufflante LEAP. On constate que la peinture PRIAM 32005 a des propriétés anti-érosion bien plus intéressante qu’un film HalarTM, ou qu’un film TedlarTM, mais étant donné qu’elle ne joue actuellement pas son rôle d’anti-érosion du fait de sa mauvaise adhérence, elle perd donc en efficacité et nécessite de nombreuses réparations.
Peinture PRIAM 32005 Film HalarTM Film TedlarTM Film en polyuréthane
Coefficient d’érosion en g/µm 246,8 94,8 57,2 52,5
Ainsi, un film TedlarTMou un film HalarTMpeut être utilisé pour protéger un corps d’aube en matériau composite contre l’érosion. De préférence, on utilisera un film HalarTM.
Un film HalarTMpermettrait de réaliser parfaitement la fonction anti-érosion, tout en remplaçant la couche de peinture et le film en polyuréthane. Il présente en outre des performances intéressantes à la résistance à l’impact, ce qui est intéressant, même si les phénomènes d’impact sont moins observés que l’érosion sur les aubes de soufflante en service. Il présente également une tenue excellente aux fluides, par rapport au film en polyuréthane.
Pour l’application d’un film HalarTMà la surface de l’aube, on peut envisager une solution par co-moulage.
Pour ce faire, on peut placer un film HalarTMdirectement à l’intérieur du moule RTM, sur chacune des parois intérieures du moule. La mise en place des films HalarTMpeut se faire en utilisant un agent tackifiant, permettant le maintien en place des films lors de la mise en place de la préforme tissé 3D et de l’injection de la résine. Pour rappel, un agent tackifiant est un composé qui permet d'augmenter les propriétés d'adhésion de la composition dans laquelle ils sont incorporés. Ce sont généralement des polymères thermoplastiques amorphes de faible poids moléculaire, dérivés de monomères synthétiques ou naturels. Des Joints au niveau des plans de joint du moule peuvent être ajoutés afin d’éviter le fluage excessif de la résine pendant le procédé d’injection RTM. On place ensuite la préforme fibreuse dans le moule et on procède au moulage RTM de la manière connue (injection de la résine dans la préforme, chauffage, mise sous pression éventuelle du moule). Le chauffage va conduire à la polymérisation de la résine destinée à former la matrice du matériau composite, ainsi qu’à la polymérisation du film HalarTM. Comme illustré dans la , le corps d’aube 15 est alors recouvert d’un film HalarTM 25 polymérisé, qui va le protéger contre l’érosion.
Cette solution présente l’avantage de supprimer les étapes de préparation de surface du corps de l’aube, les étapes de collage et l’étape d’application de la couche de peinture.
On peut également envisager une solution par collage, mais une préparation de la surface par sablage serait toujours à réaliser (contre deux actuellement). Le résultat de la solution par collage est représenté dans la , où l’on peut voir le corps d’aube 15 qui est recouvert d’un film de colle 23, lui-même recouvert du film HalarTM25. Ce collage peut être réalisé à l’aide d’un film de colle 23, supportée ou non, par exemple du type AF191 de chez 3MTM(utilisé pour le collage du bord d’attaque sur l’aube de soufflante LEAP), ou bien encore du type Redux 322 de chez Hexcel Composites (utilisé pour le collage des panneaux de support abradable sur le carter de soufflante LEAP).
On précise que les solutions d’application d’un film HalarTMà la surface de l’aube qui sont décrites ci-dessus sont également valables pour l’application d’un film TedlarTM.

Claims (5)

  1. Aube de turbomachine, comprenant :
    - un corps d’aube (15) en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice organique ;
    - des moyens de protection contre l’érosion, disposés sur le corps d’aube ;
    caractérisée en ce que les moyens de protection contre l’érosion sont constitué par un film (25), qui recouvre la surface à protéger du corps d’aube, le film étant choisi parmi un film en polyfluorure de vinyle (PVF) ou un film en éthylène chlorotrifluoroéthylène (ECTFE).
  2. Procédé de protection contre l’érosion d’une aube de turbomachine, l’aube ayant un corps d’aube en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice organique, le procédé comprenant la formation du corps d’aube par :
    - fourniture d’une préforme du corps de l’aube à réaliser, la préforme étant réalisée à partir de fibres ;
    - placement de la préforme dans la cavité d’un moule adapté pour un moulage par transfert de résine (RTM) ;
    - densification de la préforme par injection d’une résine dans le moule et chauffage du moule contenant la préforme imprégnée, avec une éventuelle mise sous pression du moule, moyennant quoi on obtient la polymérisation de la résine ;
    le procédé comprenant en outre, avant le placement de la préforme dans le moule, le placement d’un film choisi parmi un film en polyfluorure de vinyle (PVF) ou un film en éthylène chlorotrifluoroéthylène sur chacune des parois intérieures du moule délimitant la cavité, le chauffage du moule provoquant également la polymérisation de chaque film.
  3. Procédé de protection contre l’érosion d’une aube de turbomachine, l’aube ayant un corps d’aube en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice organique, le procédé comprenant la formation du corps d’aube par :
    - fourniture d’une préforme du corps de l’aube à réaliser, la préforme étant réalisée à partir de fibres ;
    - placement de la préforme dans la cavité d’un moule adapté pour un moulage par transfert de résine (RTM) ;
    - densification de la préforme par injection d’une résine dans le moule et chauffage du moule contenant la préforme imprégnée, avec une éventuelle mise sous pression du moule, moyennant quoi on obtient la polymérisation de la résine ;
    le procédé comprenant en outre, après la densification de la préforme :
    - la préparation de la surface du corps d’aube par sablage ;
    - l’application d’une couche de colle sur la surface du corps d’aube ;
    - l’application d’un film choisi parmi un film en polyfluorure de vinyle (PVF) ou un film en éthylène chlorotrifluoroéthylène sur la couche de colle, de manière à recouvrir la surface à protéger du corps d’aube.
  4. Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans lequel la préforme est tissée en trois dimensions à partir de fibres.
  5. Turbomachine équipée d’une aube selon la revendication 1 ou protégée contre l’érosion par le procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR3043685A1 (fr) * 2015-11-13 2017-05-19 Snecma Procede de collage d'un film de protection sur une piece de forme complexe
US10746031B2 (en) * 2017-07-18 2020-08-18 Rolls-Royce Corporation Annulus filler

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