Brevet FR2106540A1 — publié le 19720505

3321Ô 2106540 La présente invention concerne les ailettes ou aubes de moteur â turbine à gaz. De telles ailettes ou aubes doivent, de préférence, être aussi légères que possible mais elles doivent être capables de résister à des contraintes importantes 5 se produisant dans certaines circonstances par exemple en cas de happage d'un oiseau. Jusqu'à présent, on a réalisé les aubes en matériaux renforcés de fibres de carbone mais comme ces fibres n'absorbent pas une énergie suffisante avant de se rompre, il était difficile de fabriquer une aube capable de résister à de fortes charges sans qu'elles se brisent et qu'elles n'endommagent par conséquent le 10 moteur. La présente invention propose une ailette ou aube qui est conçue pour résister â des charges considérables sans se briser. Selon la présente invention, une aube ou ailette pour moteur à turbine à gaz est constituée par un matériau renforcé de fibres de carbone, un renforce-15 ment supplémentaire étant réalisé par des cordes à piano ou par tout autres fils métalliques souples et résistants de coefficient élastique comparable, ces fils étant noyés dans le matériau et s'étendant dans le sens de la bngueur de l'aube. La partie de l'aube renforcée de fils métalliques peut varier en fonction des impératifs particuliers à atteindre mais il est préférable que les fils métalli-20 ques occupent environ 10% du volume total de l'aube pour que la densité de celle-ci reste aussi faible que possible. Il n'est pas nécessaire que les fils métalliques soient régulièrement implantés dans toute la section transversale de l'aube, ni qu'ils s'étendent sur la totalité de la longueur de l'aube. Ainsi, le renforcement peut être concentré au 25 voisinage de la surface de l'aube ou près des bords d'attaque et de fuite de l'aube, et il peut ne s'étendre, depuis le pied de l'aube, que sur la plus grande partie interne de la longueur de l'aube. Le diamètre des fils métalliques peut n'être pas identique à celui des fibres de carbone ; et on a trouvé qu'un matériau de remplissage en résine époxy, 30 éventuellement additionnée de polysulfone, était très efficace. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un exemple de réalisation d'une aube selon l'invention, en référence â la figure unique du dessin annexé qui montre comment des fils métalliques du type corde à piano peuvent être distribués sur l'aube. L'aube présente une partie aérodynamique 71 33218 2 2106540 TO ef un pied 11; on peut voir que les cordes à piano se trouvent concentrées principalement au voisinage de la surface externe de l'aube et qu'elles peuvent être également implantées le long des bords d'attaque et de traînée de la partie aérodynamique ; elles s'étendent depuis l'intérieur du pied 11 pour s'arrêter en-5 viron au 3/4 de la longueur de la pcrtie aérodynamique. Les cordes à piano sont donc ainsi ancrées dans le pied et s'étendent sur la partie de l'aube la plus susceptible d'être endommagée ef brisée par un oiseau happé. Le quart extérieur de la partie aérodynamique ne risque pas de se briser-et si cela se produisait, sa masse ne serait pas suffisante pour provoquer des dommages graves dans le reste du 10 moteur ou pour entraîner des problèmes sérieux de déséquilibrage y ainsi la puissance du moteur sera pratiquemeht maintenue en faisant s'arrêter les cordes à piano comme représenté. Il peut être avantageux que les cordes à piano formant une boucle dans le pied d'aube de telle sorte qu'une seule corde à piano s'étend vers la base de l'aube, forme une boucle dans le pied et remonte vers le sommet 15 de l'aube. On réalise ainsi un ancrage supplémentaire pour le fil métallique. Le principe de base de l'utilisation d'une armature en fils métalliques peut se résumer de la façon suivante : Les fibres de carbone présentant une élasticité linéaire jusqu'au point de rupture, des déformations importantes, comme par exemple l'effet d'un choc provoquent la cassure de la fibre. Au contraire, I'éIas— 20 ticité des fils métall iques n'est pas linéaire jusqu'à la rupture car ils peuvent se prêter à une déformation ductile. Ainsi sera-t-il possible, sous un choc, de maintenir dans l'aube une gamme importante de forces résiduelles grâce à la présence des fils métalliques non-brisés. La fraction du volume total de l'aube qui peut être utilisée pour les fils 25 métalliques doit être réduite au minimum pour que la densité de l'aube soit la plus faible possible en particulier parce que la racine carré du rapport module d'élasticité/densité détermine la fréquence de vibration de l'aube ; celui-ci doit être aussi élevé que possible et comme la charge du choc s'exerce en flexion ceci peut être obtenu en plaçant les fils métalliques dans les couches extérieures. 30 (En utilisant la configuration représentée au dessin et des fîls métalliques d'un module d'élasticité d'environ 20.800 kg/mm2 (30x10^ p.s.î. en mesure anglaise) la fréquence de l'aube est très faiblement modifiée par rapport à celle que confèrent des fibres de carbone de module très légèrement inférieur). Toutefois, la fraction, du volume total occupée par les fils métalliques doit être suffisante pour 35 csksoEber la cfecrege exercée sur après rupture des fibres de carbone,-c'est- 71 33218 3 2106540 â-dire environ 10 %. On utilise des fils métalliques parce qu'ils ont un module d'élasticité semblable à celui des fibres de carbone et par conséquent portent des fractions égales de la charge et aussi parce qu'on peut les obtenir à bas prix avec des 2 3 résistances supérieures à 270 Kg/ mm (400 x 10 p;s.i. en mesure anglaise ). En soumettant à des essais des prototypes de la structure proposée, on a trouvé que l'armature en cordes à piano en même temps qu'elle procurait une résistance résiduelle élevée, améliorait de façon surprenante la résistance au choc du matériau composite. Ainsi on a réalisé des pièces d'essai en superposant des feuilles de fibres de carbone obtenues par pyrolyse de polyacrylonitrile et imprégnation â l'aide d'une résine époxy et d'un agent durcisseur latent. On â réalisé des pièces témoin ) l'aide seulement de fibres de carbone et de résine époxy ; les pièces d'essai pour la structure d'aube selon l'invention ont été complétées en implantant régulièrement, â raison d'environ 10 % du volume, -3 des cordes â piano d'un diamètre d'environ 0,13 mm (5 xlO inch en mesure anglaise ) parmi les fibres de carbone ( de 0,007 mm de diamètre environ : _3 0,3 x 10 inch en mesure anglaise ) et la résine de remplissage. 1 . Exemple de fabrication On a réalisé des échantillons en enroulant sur des couches de chafne en résine époxy et fibre de carbone enrobant un mandrin d'acier, des fils d'acier de 0,13 mm de diamètre environ. Quand un nombre suffisant de couches a été constitué, on a pressé sur le mandrin le matériau composé de résine époxy, de fibres de carbone et d'acier sous une pression d'environ 35 bars et ô la température de 160 ° C. Les échantillons témoins en résine époxy ef fibres de carbone ont été fabriqués de la meme façon. On a effectué deux séries d'essais pour simuler l'effet d'un choc sur une aube tournante. a) flexion en trois points jusqu'à déformation constante, b) choc longitudinal, c'est-â-dire pour des fibres s'étendant le long de la longueur de l'é—chantillon, choc sous un angle de 90°. Afin de mesurer les résistances résiduelles dans chaque essai, la plupart des échantillons ont été ensuite soumis à une traction 2. Résultats d'essai typiques Flexion en trois points 71 33218 4 2106540 ( ( Echantillons Résistance à la Résistance résidu Résistance résidu- ) ( flexion elle à la flexion elle à la traction ) ( ( ( Kg / mm^ Kg / mm^ Kg / mm^ } ( ( Fibre de carbone 142 16,8 12,8 ) ( résine / époxy ( ( ( + 8,12 + 5,6 + 12,6 ) ( ( Fibre de carbone 176,4 46,2 37,17 ) ( résine / épôxy + 13,93 + 17,5 + 6,3 ) ( + ( Fils d'acier ( ( environ 10 % ) ( Les limites supérieures et inférieures sont des tolérances de sécurité à 90% La résistance résiduelle à la flexion est basée sur une charge supportée par la poutre après une déformation déterminé. Choc ( "Small Hounsfield 11 ) Echantillons de 2,54 mm x 1,27 mm x 44,5 mm Mouton d'environ 225 g (1 livre en mesure anglaise ) pour Hyfils ; environ 450 g ( 1 livre en mesure anglaise ) pour acier / Hyfil 25 30 Echantillon Valeur de choc nominale Kgm Résistance résiduelles Kg / mm^ Rendement de la force % Fibre de carbone résine / Epoxy n 0,5 + 0,06 4,2 + 3,5 - Fibre de carbone résine / Epoxy + fils d'acier ( environ 10 % ) n 0,7+0,1 21 + 4,9 57 ( moyenne ) 71 33218 5 2106540 Le rendement de la force est basé sur la fraction du volume occupée par le fil d'acier et sur la résistance. Ces résultats préliminaires suggèrent qu'outre l'obtention espérée d'une augmentation importante des résistances résiduelles, le renforcement de fil d'a-5 cier entraîne un accroissement notable des propriétés de résistance au choc et à la flexion. Un usage plus efficace du renforcement de fil d'acier pourrait sans doute être réalisé grâce à un renforcement sélectif, par exemple au voisinage de la surface de l'aube comme indiqué, les fils ne s'étendant que sur une partie de la longueur de l'aube. 10 On s'attendait â ce que, lors de la rupture des fibres de carbone, les cordes à piano soit capables de se déformer plastiquement pour absorber l'énergie et par conséquent, ne se brisent pas, en constituant ainsi une structure susceptible de maintenir l'aube en place quand elle est soumise au choc d'un oiseau ou à un corps similaire. Toutefois, les essais ci-dessus montrent qu'en plus de ce 15 fait qui apparaît dans les pièces d'essai brisées, le renforcement en cordes à piano entraine une amélioration remarquable de propriétés essentielles du matériau avant rupture. On comprendra qu'il existe une infinité de manière d'incorporer les cordes à piano dans le matériau composite. Ainsi, elles pourraient être introduite 20 dans les feuilles de fibres sous la forme pré-imprégnées, ou bien des couches complètes de fils pourraient être réalisées préalablement et disposées avec les couches de fibres de carbone. 71 33218 6 2106540 REVENDICATIONS 1 . Aube pour moteur à turbine à gaz constituée par un matériau de remplissage renforcé de fibres de carbone et caractérisée en ce qu'elle comporte un renforcement supplémentaire de fils métallique souples et résistants ayant un module d'élasticité similaire à celui des fibres de carbone, ce renforcement 5 étant implanté dans le matériau de remplissage et s'étendant selon la longueur de l'aube. 2. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que le renforcement de fils métalliques occupe 10 % du volume total de l'aube. 3. Aube selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que 10 les dits fils métalliques sont concentrés au voisinage de la surface de l'aube. 4. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fils métalliques s'étendent du pied de l'aube sur la plus grande partie de la longueur de l'aube. 5. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fils métal-15 liques s'étendent vers le bas sur au moins une partie de l'aube, forment une boucle dans le pied de l'aube et remontent vers le sommet sur au moins une partie de l'aube. 6. Aube selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits fils métalliques sont concentrés au voisinage des bords d'attaque et de 20 fuite de l'aube . 7. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau de remplissage est constitué en majeure partie par une résine époxy. 8. Aube selon la revendication 7, caractérisée en ce que le matériau de remplissage comporte en outre une certaine proportion de polysulfone. 25 9. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fils de renforcement sont des fils d'acier. 10. Aube selon la revendication 8, caractérisée en ce que les fils d'acier sont des cordes à piano.