Brevet FR2552500A1 — publié le 19850329

La presente invention concerne les aubes de turbomachines en général et, plus particulièrement, des aubes composites, creuses, comportant une âme ondulée pour en assurer le renforcement. Les aubes des turbomachines, telles que celles utilisées dans lXétage comportant la soufflante ou le compresseur d'un moteur à réaction moderne, doivent répondre à un certain nombre de critères de réalisation astreignants. Par exemple, il est essentiel que le poids soit faible pour que la vitesse en bout d'aubes soit élevée, les rotors soient légers et les rapports entre rayons soient plus petits. Il faut que les aubes soient frigides afin d'éviter les vibrations excessives, alors qu'une résistance mécanique importante est indispensable pour éviter les avaries dues à des corps étrangers. De plus, sur le plan économique, le coût de fabrication d'une aube doit être raisonnable. Dans le passa, on a réduit le poids en réalisant des aubes creuses On peut fabriquer des aubes de ce type en liant par brasage des éléments d'enveloppe a une âme de renforcement. C'est ainsi que le brevet des Etats-Unis d'S=merique nO 3 095 180 décrit une aube creuse fabriquée en suivant cette méthode. En général, les liaisons par brasage ont tendance à être plus fragiles que le matériau environnant. En variante, on peut fabriquer des aubes creuses en usinant des canaux sur les surfaces d'accouplement des sections du profil aérodynamique, puis en réunissant les sections en effectuant une liaison par diffusion.Bien que généralement plus solides qu'une aube dont l'âme est brasée, les aubes réalisées de cette façon doivent être installées sur un montage de fixation précis, donc coûteux, pour procéder à l'alignement des canaux, et un défaut d'alignement, fût-il de faible valeur, se traduit par des concentrations de contraintes. Pour obtenir une certaine rigidité des aubes, on peut combiner des matériaux différents ayant une rigidité élevée et réaliser ainsi une aube composite. Pour améliorer la résistance à la traction et la rigidité, on peut intégrer une matière fibreuse dans le profil aérodynamique de l'aube. Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 572 971, décrit l'utilisation de fibres fines dans l'âme centrale d'une aube. L'un des problèmes soulevés par les aubes composites massives est leur tendance à être lourdes et à avoir un coût de fabrication élevé du fait de la quantité des matériaux nécessaires à leur réalisation. Des aubes de compresseur creuses en matériau composite dans lesquelles des fibres sont liées intégralement à une matrice en aluminium font l'objet du brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 981 616. L'inconvénient de ces aubes est qu'elles présentent une mauvaise résistance à l'impact des corps étrangers. La présente invention a pour buts de réaliser: . une aube perfectionnée de turbomachine; . une aube légère présentant une meilleure rigidité; une aube perfectionnée de soufflante qui élimine la nécessité d'avoir des boucliers à mi-hauteur; une aube perfectionnée présentant une meilleure résistance à l'impact des corps étrangers; une aube creuse perfectionnée ayant une âme et une enveloppe de largeur variable; une aube creuse, renforcée, perfectionnée dont le pied présente une meilleure résistance. Ces buts, ainsi que d'autres de la présente invention, de même que ses caractéristiques et avantages, apparaîtront à la description faite en liaison avec les dessins d'accompagnement. Dans un mode de réalisation de la présente invention, on décrit une aube dont l'âme est disposée à l'intérieur d'un profil aérodynamique creux. L'âme est liée par diffusion à ce profil. Dans un mode de réalisation plus spécifique de la présente invention, on décrit une aube de rotor ayant un profil aérodynamique creux qui comprend un bout d'aube, un bord d'attaque et un bord arrière. Le profil aérodynamique comporte un premier et un second élément d'enveloppe entourant une zone constituant l'âme qui est liée par diffusion à ces premier et second éléments. L'aube de rotor comprend en outre une embase et un pied. Les éléments d'enveloppe s'étendent entre le bout d'aube et l'embase et le pied pour former une partie de l'embase et du pied. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 9, une vue dXune aube de turbomachine selon un mode de réalisation de la présente invention; figure 2, une vue en coupe de l'aube représentée en figure 1 prise le long de la ligne 2-2; figure 3, une vue éclatée en perspective des stratifiés formant un élément d'enveloppe selon un mode de réalisation de la présente invention; figure 4, une vue en coupe de côté d'un élément d'enveloppe selon un mode de réalisation de la présente invention; figure 5, une vue en coupe de l'élément d'enveloppe de la figure 4 prise le long de la ligne 5-5; figure 6, une vue similaire à celle de la figure 5 d'un autre mode de réalisation de la présente invention;; figure 7, une vue éclatée en perspective d'une étape de fabrication de l'aube représentée en figure 1; figure 8, une vue en coupe d'un moule de fabrication de l'aube de la figure 1; figure 9, une illustration du processus de fabrication de l'aube de la figure 1 avec le moule de la figure 8; figure 10, une vue de l'âme avant l'opéra- tion de liaison selon un autre mode de réalisation de la présente invention; figure 11, une vue de l'âme avant l'opération de liaison selon encore un autre mode de réalisation de la présente invention; figure 12, une vue en coupe de l1aube de la figure 2 prise le long de la ligne 12-12. En figure 1, on a représenté une aube creuse 10 selon un mode de réalisation de la présente invention, la vue étant prise du côté intrados 12 où s'exerce la pression. Le contour d'une zone 28 constituant l'âme, telle que représentée par exemple en figure 2, est indiqué par la ligne m en trait discontinu. L'aube 10 comprend un profil aérodynamique 14, une embase 16 et un pied 18. La figure 2 est une vue en coupe de l'aube creuse 10 prise le long de la ligne 2-2 de la figure 1. Un élément d'enveloppe intrados 20 et un élément d'enveloppe extrados 22, sont réunis par une opération de liaison par diffusion pour former un bord d'attaque 24 et un bord de fuite 26. Les éléments d'enveloppe 20 et 22 entourent la zone 28 constituant l'âme, celle-ci se présentant sous la forme d'une feuille ondulée 30. Les éléments d'enveloppe 20 et 22 sont liés par diffusion à la feuille ondulée 30 à des sommets 32 suivant un procédé décrit ci-après. A l'intérieur de chaque élément d'enveloppe 20, 22 se trouve une feuille de renfort 34 constituée de plusieurs couches d'un matériau composite, représenté en détail en figure 3. Dans le but de réduire les avaries causées par les corps étrangers, la feuille de renfort 34 ne s'étend pas à l'intérieur du bord d'attaque 24 ou du bord de fuite 26.C'est pour cela que ces zones sont réalisées en matériau non fibreux présentant une bonne résistance aux chocs, par exemple, en titane. En figures 3, 7, 8 et 9, on a représenté la succession des étapes de fabrication, selon un mode de réalisation recommandé de la présente invention, de l'aube 10. La figure 3 est une vue en perspective de l'orientation des couches constituant les éléments d'enveloppe 20 ou 22 d'une aube selon un mode de réalisation de la présente invention. Des feuilles frontales 36 et 38 sont placées sur les côtés opposés de l'assemblage composite en fibre 34. L'assemblage 34 est constitué d'un stratifié composé de feuilles métalliques 42 et de feuilles en fibre 44 disposées en alternance. Les feuilles ont des hauteurs variables de sorte que, comme le montre par exemple la figure 4 il y a davantage de fibres dans la zone 50 constituant l'embase de l'élément d'enveloppe 22 que dans le bout d'aube 46 du profil aérodynamique 52. Les fibres entrent dans la partie 48 constituant le pied, leur nombre allant généralement en décroissant. Dans le mode de réalisation préféré représenté en figure 3, les feuilles frontales 36 et 38 sont en titane et ont une épaisseur d'environ 0,4 mm. On peut fabriquer les feuilles en fibre 44 en mettant en suspension une fibre appropriée, par exemple, des filaments de carbone revêtus de carbure de silicium, dans un liant en polymère. Les feuilles métalliques 42 qui sont disposées en alternance avec les feuilles en fibres 44 sont réalisées en titane et ont une épaisseur d'environ 0,10 mm. Après avoir correctement aligné les feuilles1 on les soumet à une température et une pression suffisantes, comme cela est bien connu dans l'art, pour réaliser leur liaison par diffusion et former l'élément d'enveloppe 22. Au cours du processus de liaison, le matériau constituant le liant brûle et le métal migre en remplissant les vides laissés par le liant. Il en résulte des couches en fibre 54, comme représenté en figure 4, qui sont noyées dans une matrice métallique et retenues par les feuilles frontales 36 et 38. Une vue des couches, suivant une coupe prise le long de la ligne 5-5 de la figure 4, est représentée en figure 5. En figure 5, on peut voir que la densité des fibres de l'élément d'enveloppe 22 est généralement uniforme. La figure 6 représente une variante de mode de réalisation où l'on a modifié la densité des fibres de manière à obtenir la flexibilité requise pour qu'une résistance aux chocs soit conférée à certaines parties de l'aube tout en maintenant une rigidité élevée dans d'autres parties. Il apparaîtra à l'homme du métier qu'il est possible de prévoir de nombreux agencements pour les fibres. On remarquera également que dans le processus de formation de l'élément d'enveloppe 22, on peut préformer cet élément dans ses grandes lignes par compression dans un moule pour lui conférer sa forme finale, cambrée et torsadée.De plus, il peut être souhaitable que des fibres dépassent de l'élément d'enveloppe 20 ou 22 en fonction des conditions de conception. Les figures 7 à 9 illustrent un procédé permettant de lier par diffusion la feuille 30 formant l'âme aux éléments d'enveloppe 20 et 22 dans la cavité d'un moule en les soumettant à la pression d'un gaz. La figure 7 est une vue en perspective de la feuille 30 placée entre les éléments 20 et 22 fabriqués suivant le procédé décrit ci-dessus. On place un élément 56 formant bouchon, par exemple en titane à une extrémité de l'assemblage 60 de l'aube dans le but de former son pied. Avant de lier ces éléments ensemble, on recouvre les deux faces de l'âme 30, en formant un motif 58 ressemblant à des bandes, avec une substance telle que le nitrure de bore, dont le rôle est d'empêcher la liaison par diffusion avec des matériaux appliqués ultérieurement. On place ensuite l'assemblage 60 dans uh moule 62, comme représenté en figure 8. On introduit un gaz par l'tinter médiaire d'un tube 63 à une température et une pression suffisantes pour lier entre eux par diffusion les composants de l'assemblage 60. L'aube 10 est réalisée par déformation superplastique comme représenté en figure 9. On introduit un gaz entre les éléments d'enveloppe 20 et 22 par l'intermédiaire d'un tube 64 à une température et une pression suffisantes pour provoquer la séparation des éléments en formant ainsi la zone 28 constituant l'âme et en déployant simultanément des éléments 66 de l'âme. Comme mentionné précédemment, la feuille 30 de llâme ne se lie aux éléments d'enveloppe 20 et 22 qu'à ses parties n'ayant subi aucun traitement, ce qui a pour effet de produire des ondulations. Ce processus de liaison par diffusion et de formation superplastique fait l'objet d'une description plus détaillée dans le brevet des Etats-Unis d'Rmérique nO 3 927 817 au nom de Hamilton, que l'on supposera ici connu. La feuille ondulée 30 de l'âme, ainsi formée, est liée par diffusion aux éléments d'enveloppe 20 et 22 aux sommets 32. Ces parties de jonction présentent une résistance exceptionnelle, de très loin supérieure à celle que l'on rencontre dans les aubes de l'art antérieur. Il va sans dire que la géométrie de l'âme dépend de la forme du motif 58 en nitrure de bore ou tout autre matériau d'inhibition des liaisons par diffusion. Les figures 10 et 11 représentent des variantes de la configuration de l'âme. Par exemple, la figure 10 représente un motif par points correspondant à une âmeen colonnes, et la figure 11 un profil en zigzag se traduisant par une âme en Z. Cependant, la présente invention n'est pas limitée aux profils cités ci-dessus, mais comprend tout motif conduisant à une âme utilisable. Classiquement, des âmes de cette nature comprendront plusieurs éléments reliant les éléments d'enveloppe 20 et 22 entre eux. Par exemple, comme le montre la figure 9, l'âme 30 comprend les éléments d'âme 66. Par contraste, l'âme correspondant à la configuration par points de la figure 10 comprendra des éléments sous forme de colonnes. En figure 12, on a représenté une vue en coupe de l'aube 10 prise à partit du bord d'attaque et suivant la ligne 12-12 de la figure 2. La feuille ondulée 30 de l'âme se trouve entre l'élément d'enveloppe 20, du côté intrados, et l'élément d'enveloppe 22, du côté extrados. La zone 28 constituant l'âme est partiellement fermée au bout d'aube 46 et à l'embase 16 par cambrage de la feuille 30 et liaison de celle-ci aux éléments d'enveloppe 20 ou 22. Une fermeture complète s'obtient par liaison d'une bande 76 aux éléments d'enveloppe 20 et 22-. Il est possible d'envisager d'autres formes pour le bout d'aube 46. Dans le mode de réalisation représenté, le bout d'aube 46 comporte un évidement 68.En variante, 11 évidement 68 peut être rempli d'un matériau léger, ou bien la partie 76 de l'enveloppe peut être usinée de manière à réaliser une surface de frottement d'extrémité. La zone 28 constituant 1'âme s'étend jusque dans l'embase 16, comme cela est représenté, et est séparée du bouchon 56 par la feuille 30 de l'âme. L'élément d'enveloppe 20 comprend une feuille de renfort 74 constituée d'au moins une couche de matériau composite en fibre comme cela est décrit avec davantage de détails en liaison avec la figure 4. La disposition et le nombre des couches de matériau composite en fibre peuvent être variable. Dans le mode de réalisation représenté en figure 12, le nombre de couches constituant la feuille de renfort 74 est plus grand à l'embase 16 qu a proximité du bout d'aube 46 et va généralement en diminuant dans le pied 18. Les couches vont en s'évasant au droit du pied 18 et se trouvent généralement à proximité de la surface extérieure du pied 18. La feuille de renfort 74 est en contact laminaire avec la feuille intérieure frontale 36 et la feuille extérieure frontale 38 en matériau non fibreux, comme cela est représenté plus en détail en figure 4. Le bout d'aube 46 est constitué essentiellement par un matériau non fibreux, par exemple de titane, de manière à augmenter la résistance aux chocs de corps étrangers. De manière similaire, une feuille de renfort 74 st les feuilles frontales 36 et 38 constituent l'élément dXenveloppe 22. L'un des rôles de la feuille 74 est d'augmenter la rigidité de l'aube. Dans certaines réalisations, il peut être souhaitable que l'un des éléments d'enveloppe, voir les deux, ne comportent pas de feuille de renfort. Ces cas entrent dans le domaine de protection de la présente invention. L'aube venant d'être décrite comporte une âme dont la section en coupe varie. De nouveau en liaison avec la figure 12, la zone 28 constituant l'âme a une section en coupe qui va en décroissant entre l'embase et le bout d'aube 46. Ainsi, la section en coupe de l'âme à proximité dela partie 46 est inférieure à celle qui se trouve à proximité de l'embase. L'aube renforcée en titane venant d'être décrite et représentée, a comme caractéristiques d'être légère et de présenter d'excellentes propriétés de rigidité, de résistance mécanique et de résistance au choc des corps étrangers. Des aubes de soufflante fabriquées selon le procédé de la présente invention présentent des caractéristiques de rigidité et de résistance mécanique si élevées qu'on peut éliminer le bouclier monté en bout d'aube ou à mi-hauteur, réduire le rapport des rayons de l'aube et augmenter la vitesse en bout d'aube. Une aube réalisée selon la présente invention a donc de meilleures conditions de fonctionnement que les aubes de l'art antérieur. Il apparaîtra facilement à l'homme du métier que la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation spécifiques venant d'être décrits et illustrés. La présente invention s'applique à n'importe quelle aube creuse dont l'âme a été réalisée en faisant appel à la technique de liaison par diffusion. De plus, il est possible d'utiliser d'autres matériaux et de modifier l'emplacement des fibres pour répondre à des conditions particulières de réalisation. On comprendra aussi que les dimensions, les proportions et relations entre structures représentées sur les dessins ne sont données qu'à titre d'exemple et ne doivent pas être considérées comme entrant réellement dans la réalisation d'une aube selon la présente invention. REVENDICATIONS 1. Aube, caractérisée en ce qu'elle comprend un profil aérodynamique creux (14, 52) fermant une âme (28), l'âme étant liée au profil aérodynamique par diffusion. 2. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que le profil aérodynamique (14) est constitue par un premier et un second élément d'enveloppe (20,22), et en ce que l'âme (28) comprend plusieurs éléments (66) reliant les premier et second éléments d'enveloppe. 3. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'âme (28) comprend une feuille ondulée (30). 4. Aube de rotor, comprenant: un profil aérodynamique creux (14, 52) comportant un bout d'aube (46), un bord d'attaque (24), et un bord de fuite (26); le profil aérodynamique étant formé par un premier et un second élément d'enveloppe (20, 22) entourant une zone constituant l'âme (28), l'âme etant liée par diffusion aux premier et second éléments d' enveloppe; . une embase (16, 50); . un pied (18, 48); où les éléments d'enveloppe s'étendent entre le bout d'aube et l'embase et le pied pour constituer une partie de cette embase et de ce pied. 5. Aube selon la revendication 4, caractérisée en ce que I'âme (28! comporte une feuille ondulée (30). 6. Aube selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'épaisseur de chaque élément d'enveloppe est plus grande au droit de la queue (16, 50) qu'au droit du bout d'aube (46) du profil aérodynamique (14, 52). 7. Aube selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'au moins l'un des éléments d'enveloppe (20, 22) comprend une feuille de renfort (74) constituée d'au moins une couche de matériau composite en fibre. 8. Aube selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'élément d'enveloppe (20, 22) comprenant une feuille de renfort (74) comporte en outre des feuilles intérieures et extérieures (36, 38) en matériau non fibreux en contact laminaire avec la feuille de renfort. 9. Aube selon la revendication 8, caractérisée en ce que le matériau composite en fibre est constitué de filaments de carbone revêtus de carbure de silicium à l'intérieur d'une matrice en titane, et en ce que le matériau non fibreux est du titane. 10. Aube selon la revendication 8, caractérisée en ce que le nombre de couches (54) à l'intérieur de la feuille de renfort (74) est plus grand au droit de l'embase (16, 50) qu'à proximité du bout d'aube (46) et va généralement en décroissant le long du pied (18). 11. Aube selon la revendication 10, caractérisée en ce que les couches sont en général situées près de la surface extérieure du pied (18). 12. Aube selon la revendication 8, caractérisée en ce que le bout d'aube (46), le bord d'attaque (24), le bord de fuite (26) sont essentiellement constitués de matériau non fibreux. 13. Aube selon la revendication 4, caractérisée en ce que la zone constituant l'âme (28) s'étend jusque dans le pied (18), et la section en coupe de cette zone constituant l'âme est plus petite au droit du bout d'aube (46) qu'au droit du pied (18).