WO2020089345A1 - Hybridation des fibres du renfort fibreux d'une aube - Google Patents

Hybridation des fibres du renfort fibreux d'une aube Download PDF

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Thomas Alain DE GAILLARD
Gilles Pierre-Marie NOTARIANNI
Frédéric Jean-Bernard POUZADOUX
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Safran Aircraft Engines SAS
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates generally to the field of turbomachinery, and more particularly that of the fan blades of these turbomachinery and their manufacturing process.
  • the invention applies more particularly to fan blades of composite material and their interaction with the entry of the primary vein.
  • turbomachine blades and in particular the fan blades, are subjected to significant mechanical and thermal stresses and must satisfy strict conditions of weight and size. It has therefore been proposed to use blades in a composite material comprising a fibrous reinforcement densified by a polymer matrix, which are lighter compared to metal blades with equivalent propellant characteristics and which have satisfactory heat resistance.
  • the fan blades are subjected to ingestion of birds and hailstones.
  • the privileged areas of initiation and propagation of damage are different.
  • the mechanical behavior of the fan blades is therefore optimized during the blade design phase to comply with the certification rules.
  • An objective of the invention is therefore to remedy the aforementioned drawbacks, by proposing a fan blade for a turbomachine whose ingestion behavior is improved.
  • the invention provides a fan blade of a turbomachine comprising a composite material structure comprising a fibrous reinforcement obtained by three-dimensional weaving and a matrix in which the fibrous reinforcement is embedded, the fibrous reinforcement comprising first strands having an elongation at the predefined break.
  • part of the fibrous reinforcement further comprises second strands having an elongation at break greater than that of the first strands.
  • the blade further comprises a foot and a top, the fibrous reinforcement comprising a first portion comprising the foot and a second portion comprising the top, the first portion being devoid of second strands while the second portion comprises the second strands.
  • the second portion comprises warp strands and weft strands, the warp strands and / or the weft strands of said second portion being devoid of first strands.
  • the first portion extends over a distance equal to at least 30% of a height of the blade, for example over a distance between 30% and 65% of the height of the blade.
  • the fibrous reinforcement comprises a third portion extending between the first portion and the second portion, a density of the second strands gradually increasing in the third portion of the first portion towards the second portion.
  • the third portion extends over a distance between 5% and 30% of a height of the blade.
  • the third portion extends over a distance between 1 cm and 10 cm.
  • the fibrous reinforcement is obtained by three-dimensional weaving of warp strands and weft strands, said warp strands defining a plurality of warp planes, each warp plan of the fibrous reinforcement being separated from a warp plane immediately adjacent by a line of weft strands, at most 30% of the warp and / or weft strands of the third portion being modified between two immediately adjacent warp planes.
  • the first strands have a Young's modulus greater than the Young's modulus of the second strands.
  • the elongation at break of the second strands is between 1.5 and 3 times the elongation at break of the first strands.
  • the first strands include carbon or aramid fibers whose Young's modulus is greater than 250 GPa and the elongation at break is between 1.5% and 2.5%.
  • the elongation at break of the second strands is between 3% and 6%, preferably between 4% and 5%.
  • the second strands include glass fibers or aramid fibers or basalt fibers.
  • the second strands comprise warp threads and / or weft threads.
  • the invention also proposes a fan for a turbomachine comprising a plurality of blades as described above.
  • Figure 1 is a schematic view showing an example of fiber reinforcement for a fan blade according to one embodiment, in which the introduction of second strands and the output of first strands in the intermediate portion have been shown schematically.
  • FIG. 2 is a schematic view showing an example of fiber reinforcement for a fan blade on which weft strands and four warp planes of the fiber reinforcement of the blade have been shown diagrammatically.
  • FIGS. 2a to 2d schematically illustrate the four chain planes represented in FIG. 2.
  • FIG. 2e schematically illustrates a partial weft plane of the fibrous reinforcement of FIG. 2.
  • Figure 3 is a perspective view of an exemplary embodiment of a blower comprising vanes according to the invention.
  • a fan 1 of a turbomachine comprises a fan disk 2 carrying a plurality of blades 3 of fan 1, associated with inter-blade platforms.
  • Each blade 3 comprises a structure made of composite material comprising a fibrous reinforcement 5 obtained by three-dimensional weaving and a matrix in which the fibrous reinforcement 5 is embedded.
  • This composite material structure comprises a foot 6, a blade 7 with an aerodynamic profile having a leading edge 4 and a top 8, and a stilt extending between the foot and the blade.
  • the leading edge 4 corresponds to the edge of the blade 7 which is configured to extend opposite the flow of the gases entering the blower 1.
  • the structure is formed of a plurality of blade sections stacked from the base 6 along a stacking axis Z extending radially relative to the axis of revolution X of the fan 1.
  • each blade 3 is engaged in an axial groove formed in the fan disc 2.
  • the blade 7 with an aerodynamic profile is suitable for being placed in an air flow, when the engine is in operation so as to divide the air flow into a lower surface flow and into an upper surface flow in order to generate lift.
  • the blade 3 has a height h corresponding to a dimension along the stacking axis Z of the blade sections between the base 6 and the apex 8. The height h can for example be measured at the intersection between the edge d 'attack 4 and the lower limit of the blade 7 (which corresponds to its interface with Tâchasse, just above the foot as regards the area of the leading edge 4).
  • the fibrous reinforcement 5 can be formed from a fibrous preform in a single piece obtained by three-dimensional or multilayer weaving with progressive thickness. It comprises fibers which can in particular be made of carbon, glass, basalt, aramid.
  • the matrix for its part, is typically a polymer matrix, for example epoxy, bismaleimide or polyimide.
  • the blade 3 is then formed by molding by means of a resin injection process of the RTM type (for “Resin Transfer Molding”), or even VARRTM (for Vacuum Resin Transfer Molding).
  • the fibrous reinforcement 5 comprises first strands 9 having a predefined elongation at break and second strands 10 having a greater elongation at break than that of the first strands 9.
  • the fibrous reinforcement 5 is therefore obtained by hybridization of the strands constituting it in order to '' make the best use of the mechanical properties of each strand as a function of the zones of blade 3 and the type of stress.
  • the first strands 9 preferably have a high Young's modulus, for example greater than 250 GPa, and have the function of making it possible to meet the design criteria of the blade 3, and in particular the frequency status of the blade 3. These first strands 9 are therefore used in the weaving of the fibrous reinforcement 5 to form the portion of the reinforcement 5 (or internal portion 11) which comprises the foot 6 of the blade 3 and a lower part of the blade 7, corresponding at least to the low and thick parts of dawn 3, so that the natural frequencies of dawn 3 are high. This thus makes it possible to limit or at least move away the frequency crossovers between the first eigen modes of dawn 3, energetic, and the motor harmonics.
  • the low and thick parts here comprise the foot 6 of the blade 3 and the lower part of the blade 7. In one embodiment, only the first strands 9 are used as warp and weft threads in the weaving of the portion internal 11.
  • the second strands 10, for their part, whose breaking strength is greater than that of the first strands 9, have the function of limiting the initiation and propagation of damage to the blade 3 during ingestion. objects, including birds.
  • These second strands 10 are therefore used in the weaving of the fibrous reinforcement 5 to form the portion of the reinforcement 5 (or external portion 12) which comprises the crown 8.
  • the elongation at break of the second strands 10 is between 1.5 and 3 times the elongation at break of the first strands 9.
  • only the second strands 10 are used as warp and weft yarns in the weaving of the external portion 12.
  • the reinforcement 5 further comprises an intermediate portion 13 extending between the internal portion 11 and the external portion 12 which is formed by both the first strands 9 and the second strands 10.
  • an intermediate portion 13 extending between the internal portion 11 and the external portion 12 which is formed by both the first strands 9 and the second strands 10.
  • only the first and second strands 9, 10 are used as warp and weft threads in the weaving of the intermediate portion 13.
  • This intermediate portion 13 is configured to serve as an interface between the first portion 11 and the second portion 12 in order to limit the brittleness due to discontinuities of materials.
  • the fibrous reinforcement 5 comprises only first strands 9 in the first portion 11 of the blade 3 and only second strands 10 in the second portion 12 of the blade 3, and the first portion 11 and the second portion 12 are end to end in the reinforcement 5, the vane 3 thus obtained effectively makes it possible to avoid damage to the vane 3 in the areas comprising the second strands 10.
  • the intermediate portion 13 thus makes it possible to make a transition between the material properties of the internal portion 11 and the material properties of the external portion 12.
  • the density of the second strands 10 is gradually increased within the intermediate portion 13 of the internal portion 11 towards the external portion 12. More specifically, at the interface 14 between the internal portion 11 and the intermediate portion 13, the density of the second strands 10 is very low while the density of the first strands 9 is very high. On the other hand, at the interface 15 between the intermediate portion 13 and the outer portion 12, the density of the second strands 10 is very high while the density of the first strands 9 is very low.
  • FIGS. 1 and 2 schematically represent a blade 3, the fibrous reinforcement 5 of which has been shaped from a three-dimensional woven fibrous preform, before injection of resin or densification by a matrix and possible machining, in order to obtain a blade 3 fan 1 made of composite material according to the invention.
  • three-dimensional weaving it will be understood that the warp threads follow sinuous paths in order to link together weft threads belonging to different layers of weft threads except for unbinding, it being noted that a three-dimensional weaving, in particular with interlock weave , may include 2D surface weavings. Different three-dimensional weaving weaves can be used, such as interlock, multi-satin or multi-veil weaves, for example, as described in particular in document WO 2006/136755.
  • the first strands 9 can be removed successively from the weaving of the preform, at the level of the different warp planes of the intermediate portion 13, and cut at the surface of the preform before injection, while the second strands 10 are gradually introduced into these chain planes (see FIG. 1).
  • a chain plane C1-C4 is a sectional view of the fiber preform in a plane normal to the stacking axis Z.
  • each warp plane C1 to C4 is separated from the warp plane immediately adjacent by a line of weft strands.
  • the chain planes C1 to C4 which have been shown are spaced two by two by three lines of weft strands (L3 to L11).
  • FIGS. 2a to 2d each illustrate one of these four chain planes C1-C4, in which only the chain strands (that is to say in the stacking direction of the sections) have been represented. , the weft strands having been omitted in order to simplify the reading of the figures.
  • These figures schematically illustrate a first example of strand hybridization, in which the second strands 10 are inserted in a chain.
  • the first chain plane C1 which is part of the internal portion 11 of the fibrous reinforcement 5, only comprises first strands 9.
  • This first chain plane C1 is located at the interface 14 with the intermediate portion 13 of the reinforcement 5.
  • the second chain plane C2 (FIG. 2b) is part of the intermediate portion 13 of the fibrous reinforcement 5, near its interface 14 with the internal portion 11.
  • This second chain plane C2 comprises twice as many first strands 9 as of second strands 10.
  • the third chain plane C3 (FIG. 2c) is part of the intermediate portion 13 of the fibrous reinforcement 5, close to its interface 15 with the external portion 12.
  • This third chain plane C3 comprises twice as many second strands 10 as of first strands 9.
  • the fourth chain plane C4 (FIG. 2d) is part of the external portion 12 of the fibrous reinforcement 5, at the interface 15 with the intermediate portion 13, and only comprises second strands 10.
  • a weft plane is a sectional view of the fiber preform along a plane comprising the stacking axis Z and substantially aligned with the axis X of rotation of the blower 1.
  • the weft plane is here included in the sheet.
  • a weft plane is formed of a plurality of lines of weft strands L1 -L12, each line of weft strands being separated from the line of weft strands immediately adjacent by a warp plane (the planes C1 to C4 being illustrated here). It will be noted that, in a manner similar to FIGS. 2a to 2d, only the weft strands (that is to say in the substantially axial direction) have have been shown in Figure 2e, the chain strands having been omitted in order to simplify the reading of the figure.
  • the first two lines of weft strands L1 and L2, which are part of the internal portion 11 of the fibrous reinforcement 5, comprise only first strands 9.
  • These first two lines of strands of frame L1, L2 are located at the interface 14 with the intermediate portion 13 of the reinforcement 5.
  • the third line of weft strands L3 is part of the intermediate portion 13 of the fibrous reinforcement 5, near its interface 14 with the internal portion 11.
  • This third line of weft strands L3 comprises a single second strand.
  • the following weft strand lines L4-L10 each comprise a second strand in addition to the weft strand line which immediately precedes it, up to the eleventh line of weft strands L11 and the following ones which include only second strands 10 and therefore form part of the external portion 12 of the reinforcement 5.
  • At most 30% of the warp and / or weft strands are preferably modified between two warp planes immediately adjacent (i.e. separated by only a T-frame line).
  • first strands 9 are taken out of the fiber preform forming the fiber reinforcement 5 and cut at the surface, and as many second strands 10 are introduced into the fiber preform from the surface in order to replace the first strands 9 that have come out, whether they are warp strands or weft strands.
  • both warp strands and weft strands can be replaced between two successive warp planes of the intermediate portion 13. This therefore amounts to combining the first and the second exemplary embodiment described above.
  • the height h3 (distance along the stacking axis Z between the interfaces 14 and 15) of the intermediate portion 13 is determined as a function of the dimensioning of the blade 3, and more particularly of the combination of frequency strategy / dimensioning in ingestion chosen .
  • the internal portion 11 extends from the base of the blade 3 over a distance at least equal to 30% of the height h of the blade 3 so that the thick zone of the blade 3 is sufficiently stiff (thanks to the high Young modulus and the low elongation at break of the first strands 9) to guarantee compliance with the design criteria of the blade 3 and in particular the frequency status.
  • the interface 14 between the internal portion 11 and the intermediate portion 13 can be positioned at a distance h1 (along the stacking axis Z, measured from the lower limit of the blade 7) between 30% and 65% of the height h of the blade 3.
  • the introduction of the second strands 10 then makes it possible to improve the behavior of the blade 3 against the impacts of heavy birds (the zones of impact and concentration of damage related to the ingestion of these birds being located at a distance from the foot of dawn 3 between 30% and 70% of the height h of dawn 3) but also against impacts of medium-sized birds, the most critical damage of which is found in the area of dawn 3 extending over a distance of between 70% and 100% of the height h of dawn 3.
  • the distance h1 between the foot of the blade and the interface 14 from which second strands 10 are introduced into the reinforcement fibrous 5 may be greater than 65% of the height h of the blade 3.
  • this drop in stiffness has only a small impact on the natural frequencies of dawn 3 and the deflections at the top 8 of dawn 3. By elsewhere, it improves the resistance against impacts of medium-sized and light birds thanks to their elongation at break.
  • the dimensioning of the blade 3 makes it possible to determine the position of the interface 14 between the internal portion 11 and the intermediate portion 13, and more precisely the distance h1 from which second strands 10 can be introduced into the fibrous reinforcement, and therefore, in order to combine the stiffness necessary for the frequency status (first strands 9) and elongation at break (second strands 10) for resistance to ingestion.
  • the height h3 of the intermediate portion 13 is between 5% and 30% of the height h of the blade 3.
  • the height h3 of the intermediate portion 13 can be between one centimeter and ten centimeters.
  • the height h3 of the intermediate portion 13 can be determined as a function of the spacing between the chain planes and the percentage of modification of strands between two successive chain planes. For example, for a spacing E between two chain planes equal to three millimeters and a percentage P of modifications of strands between two chain planes equal to 10%, the height h3 can be defined as follows:
  • the first strands 9 have a high Young E modulus, that is to say greater than 250 GPa, preferably greater than 270 GPa. Their elongation at break A is also between 1.5% and 2.5%.
  • the second strands 10 can then have an elongation at break of between 3% and 6%, preferably between 4% and 5%.
  • the configurations described are valid for engines whose blower may have an outside diameter of the order of 1.8 meters to 3 meters.
  • the number of fan blades can be equal to 16 or 18.
  • the number of fan blades will be reduced as much as possible.
  • a choice of parameters in particular the distance h1 will depend more particularly on the behavior of the fan blade and on the “frequency / dimensioning in ingestion” combination. Indeed, for the same motor target, it is possible to choose different strategies of frequency behaviors or frequency responses in different cases of ingestion, for example to postpone the responses of dawn and blading by avoiding vibrational crossings with energy harmonics of the engine. For example, it is possible to make choices so as to position these crossings at the level of transient engine speeds.
  • the hybridization of the strands of the fibrous reinforcement 5 also makes it possible to open the design field thanks to the additional contribution in mechanical strength.

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Abstract

L'invention concerne une aube (3) de soufflante (1) d'une turbomachine comprenant une structure en matériau composite comprenant un renfort fibreux (5)obtenu par tissage tridimensionnel et une matric dans laquelle est noyé le renfort fibreux (5), le renfort fibreux (5) comprenant des premiers torons (9) présentant un allongement à la rupture prédéfini, une partie du renfort fibreux (5) comprenant en outre des deuxièmes torons (10) présentant un allongement à la rupture supérieur à celui des premiers torons (9).

Description

Hybridation des fibres du renfort fibreux d’une aube
DOMAINE DE L’INVENTION
L’invention concerne de manière générale le domaine des turbomachines, et plus particulièrement celui des aubes de soufflantes de ces turbomachines et leur procédé de fabrication.
L’invention s’applique plus particulièrement aux aubes de soufflante en matériau composite et leur interaction avec l’entrée de la veine primaire.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Les aubes de turbomachine, et notamment les aubes de soufflante, subissent d'importantes contraintes mécaniques et thermiques et doivent satisfaire à des conditions strictes de poids et d'encombrement. Il a donc été proposé d’utiliser des aubes dans un matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère, qui sont plus légères par rapport à des aubes métalliques à caractéristiques propulsives équivalentes et qui ont une tenue à la chaleur satisfaisante.
Lors de la certification et de la vie d’un moteur, les aubes de soufflante sont soumises à des ingestions d’oiseaux et de grêlons. Toutefois, selon le type de l’objet impactant l’aube (et notamment sa taille, sa masse) et selon le type de soufflante (vitesse de rotation et nombre d’aubes), les zones privilégiées d’initiation et de propagation des endommagements sont différentes. Le comportement mécanique des aubes de soufflante est donc optimisé pendant la phase de conception des aubes pour respecter les règles de certification.
Par ailleurs, les conceptions actuelles tendent à réduire l’épaisseur de la structure en matériau composite des aubes dans les zones du bord d’attaque, du bord de fuite voire sur l’ensemble de la structure afin d’améliorer les performances aérodynamiques. A iso-matériau et iso-loi d’empilage, la capacité de l’aube à résister à un impact se trouve par conséquent réduite. RESUME DE L’INVENTION
Un objectif de l’invention est donc de remédier aux inconvénients précités, en proposant une aube de soufflante pour une turbomachine dont le comportement à l’ingestion est amélioré.
Pour cela, l’invention propose une aube de soufflante d’une turbomachine comprenant une structure en matériau composite comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel et une matrice dans laquelle est noyé le renfort fibreux, le renfort fibreux comprenant des premiers torons présentant un allongement à la rupture prédéfini.
Par ailleurs, une partie du renfort fibreux comprend en outre des deuxièmes torons présentant un allongement à la rupture supérieur à celui des premiers torons. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de l’aube décrite ci-dessus sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- l’aube comprend en outre un pied et un sommet, le renfort fibreux comprenant une première portion comprenant le pied et une deuxième portion comprenant le sommet, la première portion étant dépourvue de deuxième torons tandis que la deuxième portion comprend les deuxièmes torons.
- la deuxième portion comprend des torons de chaîne et des torons de trame, les torons de chaîne et/ou les torons de trame de ladite deuxième portion étant dépourvus de premiers torons.
- la première portion s’étend sur une distance égale à au moins 30 % d’une hauteur de l’aube, par exemple sur une distance comprise entre 30 % et 65 % de la hauteur de l’aube.
- le renfort fibreux comprend une troisième portion s’étendant entre la première portion et la deuxième portion, une densité des deuxièmes torons augmentant progressivement dans la troisième portion de la première portion vers la deuxième portion. - la troisième portion s’étend sur une distance comprise entre 5 % et 30 % d’une hauteur de l’aube.
- la troisième portion s’étend sur une distance comprise entre 1 cm et 10 cm.
- le renfort fibreux est obtenu par tissage tridimensionnel de torons de chaîne et de torons de trame, lesdits torons de chaîne définissant une pluralité de plans de chaîne, chaque plan de chaîne du renfort fibreux étant séparé d’un plan de chaîne immédiatement adjacent par une ligne de torons de trame, au plus 30 % des torons de chaîne et/ou de trame de la troisième portion étant modifiés entre deux plans de chaîne immédiatement adjacents.
- entre 5 % et 15 % de torons de chaîne et/ou de trame de la troisième portion sont modifiés entre deux plans de chaîne immédiatement adjacents.
- les premiers torons présentent un module d’Young supérieure au module d’Young des deuxièmes torons.
- l’allongement à la rupture des deuxièmes torons est compris entre 1.5 et 3 fois l’allongement à la rupture des premiers torons.
- les premiers torons comprennent des fibres de carbone ou d’aramide dont le module d’Young est supérieur à 250 GPa et l’allongement à la rupture est compris entre 1.5 % et 2.5 %.
- l’allongement à la rupture des deuxièmes torons est compris entre 3 % et 6 %, de préférence entre 4 % et 5 %.
- les deuxièmes torons comprennent des fibres de verre ou des fibres d’aramide ou des fibres de basalte.
- les deuxièmes torons comprennent des fils de chaîne et/ou des fils de trame.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose également une soufflante pour une turbomachine comprenant une pluralité d’aubes comme décrites ci-dessus. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
La figure 1 est une vue schématique représentant un exemple de renfort fibreux pour une aube de soufflante conforme à un mode de réalisation, sur laquelle l’introduction de deuxièmes torons et la sortie de premiers torons dans la portion intermédiaire ont été schématisés.
La figure 2 est une vue schématique représentant un exemple de renfort fibreux pour une aube de soufflante sur laquelle des torons de trame et quatre plans de chaîne du renfort fibreux de l’aube ont été schématisés.
Les figures 2a à 2d illustrent schématiquement les quatre plans de chaîne représentés sur la figure 2.
La figure 2e illustre schématiquement un plan de trame partiel du renfort fibreux de la figure 2.
La figure 3 est une vue en perspective d’un exemple de réalisation d’une soufflante comprenant des aubes conforme à l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE D’UN MODE DE REALISATION
Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du gaz dans la soufflante 1 à travers la turbomachine. Par ailleurs, on appelle axe de révolution de la soufflante 1 , l'axe X de symétrie radiale de la soufflante 1. La direction axiale correspond à la direction de l'axe X de la soufflante 1 , et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe et passant par lui. Enfin, on utilisera interne et externe, respectivement, en référence à une direction radiale de sorte que la partie ou la face interne d'un élément est plus proche de l'axe X que la partie ou la face externe du même élément. Une soufflante 1 de turbomachine comprend un disque 2 de soufflante portant une pluralité d’aubes 3 de soufflante 1 , associées à des plateformes inter-aubes.
Chaque aube 3 comprend une structure en matériau composite comportant un renfort fibreux 5 obtenu par tissage tridimensionnel et une matrice dans laquelle est noyé le renfort fibreux 5.
Cette structure en matériau composite comprend un pied 6, une pale 7 à profil aérodynamique présentant un bord d’attaque 4 et un sommet 8, et une échasse s’étendant entre le pied et la pale. Le bord d’attaque 4 correspond au bord de la pale 7 qui est configuré pour s’étendre en regard de l'écoulement des gaz entrant dans la soufflante 1.
Enfin, la structure est formée d’une pluralité de sections d’aube empilées depuis le pied 6 selon un axe d’empilement Z s’étendant radialement par rapport à l’axe de révolution X de la soufflante 1.
Le pied 6 de chaque aube 3 est engagé dans une rainure axiale formée dans le disque 2 de soufflante. La pale 7 à profil aérodynamique quant à elle est propre à être placée dans un flux d’air, lorsque le moteur est en fonctionnement de sorte à diviser l'écoulement d'air en un écoulement d'intrados et en un écoulement extrados afin de générer une portance. L’aube 3 présente une hauteur h correspondant à une dimension suivant l’axe d’empilement Z des sections d’aube entre le pied 6 et le sommet 8. La hauteur h peut par exemple être mesurée à l’intersection entre le bord d’attaque 4 et la limite inférieure de la pale 7 (qui correspond à son interface avec Tâchasse, juste au-dessus du pied pour ce qui concerne la zone du bord d’attaque 4). En particulier, un pourcentage de hauteur est considéré avec la hauteur totale de l’aube mesurée depuis l’extrémité intérieure du bord d’attaque 4, à savoir au raccordement du bord d’attaque 4 avec la plateforme agencée côté intérieur de la veine aérodynamique, jusqu’à l’extrémité du bord d’attaque 4 en tête d’aube. A la figure 2 qui représente la préforme, l’emplacement de plateforme est symbolisé par un trait en pointillés et repéré par une référence Le renfort fibreux 5 peut être formé à partir d’une préforme fibreuse en une seule pièce obtenue par tissage tridimensionnel ou multicouche avec épaisseur évolutive. Il comprend des fibres qui peuvent notamment être en carbone, en verre, en basalte, en aramide. La matrice quant à elle est typiquement une matrice polymère, par exemple époxyde, bismaléimide ou polyimide. L’aube 3 est alors formée par moulage au moyen d’un procédé d’injection sous vide de résine du type RTM (pour « Resin Transfer Moulding), ou encore VARRTM (pour Vacuum Resin Transfer Molding).
Le renfort fibreux 5 comprend des premiers torons 9 présentant un allongement à la rupture prédéfini et des deuxièmes torons 10 présentant un allongement à la rupture supérieur à celui des premiers torons 9. Le renfort fibreux 5 est donc obtenu par hybridation des torons le constituant afin d’utiliser au mieux les propriétés mécaniques de chaque toron en fonction des zones de l’aube 3 et du type de sollicitation.
Les premiers torons 9 ont de préférence un module d’Young élevé, par exemple supérieur à 250 GPa, et ont pour fonction de permettre de respecter les critères de conception de l’aube 3, et notamment le statut fréquentiel de l’aube 3. Ces premiers torons 9 sont donc utilisés dans le tissage du renfort fibreux 5 pour former la portion du renfort 5 (ou portion interne 11 ) qui comprend le pied 6 de l’aube 3 et une partie inférieure de la pale 7, correspondant au moins aux parties basses et épaisses de l’aube 3, pour que les fréquences propres de l’aube 3 soient élevées. Cela permet ainsi de limiter ou du moins d’éloigner les croisements fréquentiels entre les premiers modes propres de l’aube 3, énergétiques, et les harmoniques moteur. Les parties basses et épaisses comprennent ici le pied 6 de l’aube 3 et la partie inférieure de la pale 7. Dans une forme de réalisation, seuls les premiers torons 9 sont utilisés comme fils de chaîne et de trame dans le tissage de la portion interne 11.
Les deuxièmes torons 10 quant à eux, dont la résistance à la rupture est plus grande que celle des premiers torons 9, ont pour fonction de limiter l’initiation et la propagation des endommagements de l’aube 3 lors d’ingestion d’objets, et notamment d’oiseaux. Ces deuxièmes torons 10 sont donc utilisés dans le tissage du renfort fibreux 5 pour former la portion du renfort 5 (ou portion externe 12) qui comprend le sommet 8. De préférence, l’allongement à la rupture des deuxièmes torons 10 est compris entre 1.5 et 3 fois l’allongement à la rupture des premiers torons 9. Dans une forme de réalisation, seuls les deuxièmes torons 10 sont utilisés comme fils de chaîne et de trame dans le tissage de la portion externe 12.
Le renfort 5 comprend en outre une portion intermédiaire 13 s’étendant entre la portion interne 11 et la portion externe 12 qui est formée à la fois par les premiers torons 9 et les deuxièmes torons 10. Dans une forme de réalisation, seuls les premiers et deuxièmes torons 9, 10 sont utilisés comme fils de chaîne et de trame dans le tissage de la portion intermédiaire 13.
Cette portion intermédiaire 13 est configurée pour servir d’interface entre la première portion 11 et la deuxième portion 12 afin de limiter les fragilités dues à des discontinuités de matériaux. Lorsque le renfort fibreux 5 comprennent uniquement des premiers torons 9 dans la première portion 11 de l’aube 3 et uniquement des deuxièmes torons 10 dans la deuxième portion 12 de l’aube 3, et que la première portion 11 et la deuxième portion 12 sont bout à bout dans le renfort 5, l’aube 3 ainsi obtenue permet effectivement d’éviter les endommagements de l’aube 3 dans les zones comprenant les deuxièmes torons 10. Toutefois, le Demandeur s’est aperçu du fait qu’en l’absence de portion intermédiaire 13, c’est-à-dire en introduisant de manière abrupte des deuxièmes torons 10 et en supprimant simultanément les premiers torons 9 à l’interface entre la première portion 11 et la deuxième portion 12 du renfort fibreux 5, l’aube 3 obtenue risquait d’être fortement endommagée au niveau de cette interface en cas d’impact, car l’interface entre les deux portions 11 , 12 du renfort 5 est fragilisée par la discontinuité forte des propriétés matériaux.
La portion intermédiaire 13 permet ainsi de faire une transition entre les propriétés matériaux de la portion interne 11 et les propriétés matériaux de la portion externe 12. Pour cela, la densité des deuxièmes torons 10 est progressivement augmentée au sein de la portion intermédiaire 13 de la portion interne 11 vers la portion externe 12. Plus précisément, à l’interface 14 entre la portion interne 11 et la portion intermédiaire 13, la densité des deuxièmes torons 10 est très faible tandis que la densité des premiers torons 9 est très forte. En revanche, à l’interface 15 entre la portion intermédiaire 13 et la portion externe 12, la densité des deuxièmes torons 10 est très forte tandis que la densité des premiers torons 9 est très faible.
Les figures 1 et 2 représentent schématiquement une aube 3 dont le renfort fibreux 5 a été mis en forme à partir d’une préforme fibreuse tissée tridimensionnelle, avant injection de résine ou densification par une matrice et usinage éventuel, afin d'obtenir une aube 3 de soufflante 1 en matériau composite conforme à l’invention. Par tissage tridimensionnel, on comprendra que les fils de chaîne suivent des trajets sinueux afin de lier entre eux des fils de trame appartenant à des couches de fils de trame différentes exception faite de déliaisons, étant noté qu'un tissage tridimensionnel, notamment à armure interlock, peut inclure des tissages 2D en surface. Différentes armures de tissage tridimensionnel peuvent être utilisées, telles que des armures interlock, multi-satin ou multi-voile, par exemple, comme décrit notamment dans le document WO 2006/136755.
Afin de réaliser la portion interne 11 , la portion intermédiaire 13 et la portion externe 12 en une seule pièce, les premiers torons 9 peuvent être sortis successivement du tissage de la préforme, au niveau des différents plans de chaîne de la portion intermédiaire 13, et coupés au niveau de la surface de la préforme avant injection, tandis que les deuxièmes torons 10 sont introduits progressivement dans ces plans de chaîne (voir figure 1 ).
Quatre exemples de plans de chaîne C1 , C2, C3, C4 ont été représentés sur la figure 2. Un plan de chaîne C1 -C4 est une vue en coupe de la préforme fibreuse suivant un plan normal à l’axe d’empilement Z. Dans le renfort fibreux 5, chaque plan de chaîne C1 à C4 est séparé du plan de chaîne immédiatement adjacent par une ligne de torons de trame. Sur la figure 2, les plans de chaîne C1 à C4 qui ont été représentés sont espacés deux à deux par trois lignes de torons de trame (L3 à L11 ). Par ailleurs, les figure 2a à 2d illustrent chacune l’un de ces quatre plans de chaîne C1-C4, dans lesquels seuls les torons de chaîne (c’est-à- dire dans la direction d’empilement des sections) ont été représentés, les torons de trame ayant été omis afin de simplifier la lecture des figures. Ces figures illustrent de manière schématique un premier exemple d’hybridation des torons, dans lequel les deuxièmes torons 10 sont insérés en chaîne.
Comme on peut le voir sur la figure 2a, le premier plan de chaîne C1 , qui fait partie de la portion interne 11 du renfort fibreux 5, ne comprend que des premiers torons 9. Ce premier plan de chaîne C1 se situe à l’interface 14 avec la portion intermédiaire 13 du renfort 5.
Le deuxième plan de chaîne C2 (figure 2b) fait partie de la portion intermédiaire 13 du renfort fibreux 5, à proximité de son interface 14 avec la portion interne 11. Ce deuxième plan de chaîne C2 comprend deux fois plus de premiers torons 9 que de deuxièmes torons 10.
Le troisième plan de chaîne C3 (figure 2c) fait partie de la portion intermédiaire 13 du renfort fibreux 5, à proximité de son interface 15 avec la portion externe 12. Ce troisième plan de chaîne C3 comprend deux fois plus de deuxièmes torons 10 que de premiers torons 9.
Le quatrième plan de chaîne C4 (figure 2d) fait partie de la portion externe 12 du renfort fibreux 5, à l’interface 15 avec la portion intermédiaire 13, et ne comprend que des deuxièmes torons 10.
Un deuxième exemple d’hybridation des torons, dans lequel les deuxièmes torons 10 sont insérés en trame, a été illustré en figure 2e. Un plan de trame est une vue en coupe de la préforme fibreuse suivant un plan comprenant l’axe d’empilement Z et sensiblement aligné avec l’axe X de rotation de la soufflante 1. Le plan de trame est ici compris dans la feuille. Un plan de trame est formé d’une pluralité de lignes de torons de trame L1 -L12, chaque ligne de torons de trame étant séparée de la ligne de torons de trame immédiatement adjacente par un plan de chaîne (les plans C1 à C4 étant illustrés ici). On notera que, de manière analogue aux figures 2a à 2d, seuls les torons de trame (c’est-à-dire dans la direction sensiblement axiale) ont été représentés sur la figure 2e, les torons de chaîne ayant été omis afin de simplifier la lecture de la figure.
Comme on peut le voir sur cette figure 2e, les deux premières lignes de torons de trame L1 et L2, qui font partie de la portion interne 11 du renfort fibreux 5, ne comprennent que des premiers torons 9. Ces deux premières lignes de torons de trame L1 , L2 se situent à l’interface 14 avec la portion intermédiaire 13 du renfort 5.
La troisième ligne de torons de trame L3 fait partie de la portion intermédiaire 13 du renfort fibreux 5, à proximité de son interface 14 avec la portion interne 11. Cette troisième ligne de torons de trame L3 comprend un seul deuxième toron. Les lignes de torons de trame suivantes L4-L10 comprennent chacune un deuxième toron en plus que la ligne de torons de trame qui la précède immédiatement, jusqu’à la onzième ligne de torons de trame L11 et les suivantes qui ne comprennent que des deuxièmes torons 10 et forment donc partie de la portion externe 12 du renfort 5.
De manière générale, afin d’assurer la transition des propriétés mécaniques entre la portion interne 11 et la portion externe 12 du renfort 5, au plus 30 % des torons de chaîne et/ou de trame sont de préférence modifiés entre deux plans de chaîne immédiatement adjacents (c’est-à-dire séparés par uniquement une ligne de trame T). Ainsi, entre deux plans de chaîne successifs, au plus 30 % des premiers torons 9 sont sortis de la préforme fibreuse formant le renfort fibreux 5 et découpés en surface, et autant de deuxièmes torons 10 sont introduits dans la préforme fibreuse depuis la surface afin de remplacer les premiers torons 9 sortis, qu’il s’agisse de torons de chaîne ou de torons de trame. De préférence, entre 5 % et 15 % des torons sont modifiés entre deux plans immédiatement adjacents. On notera que, dans une variante de réalisation, à la fois des torons de chaîne et des torons de trame peuvent être remplacés entre deux plans de chaîne successifs de la portion intermédiaire 13. Cela revient donc à combiner le premier et le deuxième exemple de réalisation décrits ci-dessus. La hauteur h3 (distance suivant l’axe d’empilement Z entre les interfaces 14 et 15) de la portion intermédiaire 13 est déterminée en fonction du dimensionnement de l’aube 3, et plus particulièrement de la combinaison stratégie fréquentielle/dimensionnement en ingestion choisie.
De manière générale, la portion interne 11 s’étend depuis le pied de l’aube 3 sur une distance au moins égale à 30 % de la hauteur h de l’aube 3 afin que la zone épaisse de l’aube 3 soit suffisamment raide (grâce au haut module d’Young et au faible allongement à la rupture des premiers torons 9) pour garantir le respect des critères de conception de l’aube 3 et notamment le statut fréquentiel.
Si la raideur de l’aube 3 le permet, l’interface 14 entre la portion interne 11 et la portion intermédiaire 13 peut être positionnée à une distance h1 (suivant l’axe d’empilement Z, mesurée depuis la limite inférieure de la pale 7) comprise entre 30 % et 65 % de la hauteur h de l’aube 3. L’introduction des deuxièmes torons 10 permet alors d’améliorer le comportement de l’aube 3 contre des impacts d’oiseaux lourds (les zones d’impact et de concentration des endommagements liés à l’ingestion de ces oiseaux étant situées à une distance du pied de l’aube 3 comprise entre 30 % et 70 % de la hauteur h de l’aube 3) mais également contre des impacts d’oiseaux de taille moyenne (medium birds en anglais), dont les endommagements les plus critiques se trouvent dans la zone de l’aube 3 s’étendant sur une distance comprise entre 70 % et 100% de la hauteur h de l’aube 3.
En revanche, lorsque l’aspect fréquentiel ou vibratoire exige de conserver une certaine raideur dans l’aube 3, la distance h1 entre le pied de l’aube et l’interface 14 à partir de laquelle des deuxièmes torons 10 sont introduits dans le renfort fibreux 5 peut être supérieure à 65 % de la hauteur h de l’aube 3. L’introduction des deuxièmes torons 10 dans la portion supérieure de l’aube 3, à compter d’une distance h1 supérieure à 65 % de la hauteur h de l’aube 3, réduit la raideur de l’aube 3. Toutefois, cette chute de raideur n’a qu’un faible impact sur les fréquences propres de l’aube 3 et les dévrillages en sommet 8 d’aube 3. Par ailleurs, elle améliore la tenue contre des impacts d’oiseaux de taille moyenne et légers grâce à leur allongement à la rupture.
Il en découle que le dimensionnement de l’aube 3 permet de déterminer la position de l’interface 14 entre la portion interne 11 et la portion intermédiaire 13, et plus précisément la distance h1 à partir de laquelle des deuxièmes torons 10 peuvent être introduits dans le renfort fibreux, et donc, afin d’allier raideur nécessaire pour le statut fréquentiel (premiers torons 9) et allongement à rupture (deuxièmes torons 10) pour la tenue à l’ingestion.
La hauteur h3 de la portion intermédiaire 13 est comprise entre 5 % et 30 % de la hauteur h de l’aube 3. Ainsi, la hauteur h3 de la portion intermédiaire 13 peut être comprise entre un centimètre et dix centimètres. La hauteur h3 de la portion intermédiaire 13 peut être déterminé en fonction de l’espacement entre les plans de chaînes et le pourcentage de modification de torons entre deux plans de chaînes successifs. Par exemple, pour un espacement E entre deux plans de chaînes égal à trois millimètres et un pourcentage P de modifications de torons entre deux plans de chaîne égal à 10%, la hauteur h3 peut être définie comme suit :
h3 = E / P = 30mm Dans une forme de réalisation, les premiers torons 9 présentent un module d’Young E élevé, c’est-à-dire supérieur à 250 GPa, de préférence supérieur à 270 GPa. Leur allongement à la rupture A est par ailleurs compris entre 1.5 % et 2.5 %.
Par exemple, les premiers torons 9 peuvent comprendre des fibres de carbone, typiquement des fibres de carbone HS* T300 (E = 284 GPa, A = 1.5 %), HS TR30S (E = 356 GPa, A = 1.9 %) ou HS T700 (E = 395 GPa, A = 2.1 %) ou encore des fibres d’aramide à haut module du type Dupont Kevlar 49 (E = 302, A = 2.4 %).
Les deuxièmes torons 10 peuvent alors présenter un allongement à la rupture compris entre 3 % et 6 %, de préférence entre 4 % et 5 %. Par exemple, les deuxièmes torons 10 peuvent comprendre des fibres de verre, typiquement des fibres de verre du type E-GLASS (E = 165 GPa, A = 4.4 %) ou des fibres de verre du type S-2 GLASS (E = 267 GPa, A = 5.2 %), ou des fibres de basalte (E = 227 GPa, A = 3 %) ou encore des fibres polyester (E = 268, A = 3.5 %). De manière générale, les configurations décrites sont valables pour des moteurs dont la soufflante peut avoir un diamètre extérieur de l’ordre de 1 ,8 mètre à 3 mètres. Le nombre d’aubes de la soufflante peut être égal par à 16 ou 18. Quel que soit le diamètre de la soufflante, le nombre d’aubes de soufflante sera réduit autant que possible. Parmi différents critères, un choix de paramètres (notamment de la distance h1 ) dépendra plus particulièrement du comportement de l’aube de soufflante et de la combinaison « fréquentielle/dimensionnement en ingestion ». En effet, pour une même cible moteur, il est possible de choisir des différentes stratégies de comportements fréquentiels ou réponses fréquentielles en différents cas d’ingestions, par exemple pour repousser les réponses d’aube et d’aubage en évitant des croisements vibratoires avec des harmoniques énergétiques du moteur. Par exemple, il est possible de faire des choix de manière à positionner ces croisements au niveau de régimes moteur transitoires. L’hybridation des torons du renfort fibreux 5 permet en outre d’ouvrir le champ de conception grâce à l’apport supplémentaire en tenue mécanique. Par exemple, il devient possible d’affiner le profil de l’aube 3 au niveau du bord d’attaque 4 ou du bord de fuite ou sur toute sa hauteur h en comparaison avec une aube 3 ne comprenant que des premiers torons 9 (à haut module d’Young), ce qui permet d’optimiser la masse de l’aube 3 et les performances aérodynamiques de la soufflante 1 (en obtenant des profils plus fins ou en réduisant le rapport de moyeu, qui est lié à la baisse de l’effort centrifuge induit par la masse de l’aube 3).

Claims

REVENDICATIONS
1. Aube (3) de soufflante (1 ) d’une turbomachine comprenant une structure en matériau composite comprenant un renfort fibreux (5) obtenu par tissage tridimensionnel et une matrice dans laquelle est noyé le renfort fibreux (5), le renfort fibreux (5) comprenant des premiers torons (9) présentant un allongement à la rupture prédéfini, ladite aube (3) comprenant en outre un pied (6) et un sommet (8), le renfort fibreux (5) comprenant une première portion (11 ) comprenant le pied (6) et une deuxième portion (12) comprenant le sommet (8),
l’aube (3) étant caractérisée en ce qu’une partie du renfort fibreux (5) comprend en outre des deuxièmes torons (10) présentant un allongement à la rupture supérieur à celui des premiers torons (9) et en ce que la première portion (11 ) est dépourvue de deuxième torons tandis que la deuxième portion (12) comprend les deuxièmes torons (10).
2. Aube (3) selon la revendication 1 , dans laquelle la deuxième portion (12) comprend des torons de chaîne et des torons de trame, les torons de chaîne et/ou les torons de trame de ladite deuxième portion (12) étant dépourvus de premiers torons (9).
3. Aube (3) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la première portion (11 ) s’étend sur une distance égale à au moins 30 % d’une hauteur (h) de l’aube (3), par exemple sur une distance comprise entre 30 % et 65 % de la hauteur (h) de l’aube (3).
4. Aube (3) selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle le renfort fibreux (5) comprend une troisième portion (13) s’étendant entre la première portion (11 ) et la deuxième portion (12), une densité des deuxièmes torons (10) augmentant progressivement dans la troisième portion (13) de la première portion (11 ) vers la deuxième portion (12).
5. Aube (3) selon la revendication 4, dans laquelle la troisième portion (13) s’étend sur une distance (h3) comprise entre 5 % et 30 % d’une hauteur (h) de l’aube (3).
6. Aube (3) selon l’une des revendications 4 ou 5, dans laquelle la troisième portion (13) s’étend sur une distance (h3) comprise entre 1 cm et 10 cm.
7. Aube (3) selon l’une des revendications 4 à 6, dans laquelle le renfort fibreux (5) est obtenu par tissage tridimensionnel de torons de chaîne et de torons de trame, lesdits torons de chaîne définissant une pluralité de plans de chaîne (C1-C4), chaque plan de chaîne (C1 -C4) du renfort fibreux (5) étant séparé d’un plan de chaîne (C1 -C4) immédiatement adjacent par une ligne de torons de trame (L1 -L12), au plus 30 % des torons de chaîne et/ou de trame de la troisième portion étant modifiés entre deux plans de chaîne (C1-C4) immédiatement adjacents.
8. Aube (3) selon la revendication 7, dans laquelle entre 5 % et 15 % de torons de chaîne et/ou de trame de la troisième portion sont modifiés entre deux plans de chaîne (C1-C4) immédiatement adjacents.
9. Aube (3) selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle les premiers torons (9) présentent un module d’Young supérieure au module d’Young des deuxièmes torons (10).
10. Aube (3) selon l’une des revendications 1 à 9, dans laquelle l’allongement à la rupture des deuxièmes torons (10) est compris entre 1.5 et 3 fois l’allongement à la rupture des premiers torons (9).
11. Aube (3) selon l’une des revendications 1 à 10, dans laquelle les premiers torons (9) comprennent des fibres de carbone ou d’aramide dont le module d’Young est supérieur à 250 GPa et l’allongement à la rupture est compris entre 1 .5 % et 2.5 %.
12. Aube (3) selon l’une des revendications 1 à 1 1 , dans laquelle l’allongement à la rupture des deuxièmes torons (10) est compris entre 3 % et 6 %, de préférence entre 4 % et 5 %.
13. Aube (3) selon la revendication 12, dans laquelle les deuxièmes torons (10) comprennent des fibres de verre ou des fibres d’aramide ou des fibres de basalte.
14. Aube (3) selon l’une des revendications 1 à 13, dans laquelle les deuxièmes torons (10) comprennent des fils de chaîne et/ou des fils de trame.
15. Soufflante (1 ) pour une turbomachine comprenant une pluralité d’aubes (3) conformes à l’une des revendications 1 à 14.
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