Brevet FR2567062A1 — publié le 19860110

La présente invention concerne un élément annulaire à aubes ayant un anneau de renforcement intégrant et en particulier un élément annulaire à aubes ayant un anneau de renforcement intégrant dont l'élément à aubes est fa- briqué à partir d'un matériau composite renforcé par des fibres. L'invention concerne également un procédé de fa- brication d'un tel élément à aubes. Il est connu de fabriquer des disques avec des aubes aérodynamiquement profilées intégrantes, par exemple ceux qui sont adaptés pour être utilisés dans un compresseur à flux axial d'un moteur à turbine à gaz, en injectant un matériau de matrice approprié à base de résine dans un moule qui contient des fibres de renforcement qui ont été orientées d'une manière prédéterminée. Un tel procédé de fabrication pose cependant des problèmes pour s'assurer que les fibres restent dans la configuration souhaitée pendant l'opération de moulage par injection. De plus, il est difficile de s'assurer que toutes les fibres sont dis- posées de façon à fournir au disque à aubes des caracté- 2. ristiques de résistance optimales, Un autre inconvénient de ce procédé est qu'il peut être coûteux dans la mesure o les fibres de renforcement doivent habituellement être disposées à la main. L'un des buts de la présente invention est de pro- duire un élément annulaire à aubes fabriqué à partir d'un matériau composite renforcé par des fibres de fabrication peu coûteuse, et ayant de bonnes caractéristiques de ré- sistance. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'un tel élément annu- laire. Selon la présente invention, un élément annulaire à aubes comprend un disque ayant une pluralité d'aubes aé- rodynamiquement profilées intégrantes s'étendant radiale- ment sur la périphérie de ce disque et ayant une ouverture centrale et un anneau de renforcement intégrant reliant les parties radialement extérieures desdites aubes, les- dits disque et aubes aérodynamiquement profilées étant fabriqués à partir d'un matériau composite comprenant une pluralité de courtes fibres de renforcement dispersées à l'intérieur d'un matériau de matrice, la plupart au moins desdites courtes fibres de renforcement à l'intérieur des- dites aubes aérodynamiquement profilées étant généralement orientées radialement, ledit anneau de renforcement étant fabriqué à partir d'une fibre de renforcement sensiblement continue s'étendant circonférenciellement enfermée dans un matériau de matrice. Selon un autre aspect de la présente invention, un procédé de fabrication d'un élément annulaire à aubes comprenant un disque ayant une pluralité d'aubes aérody- namiquement profilées s'étendant radialement sur sa pé- riphérie et une ouverture centrale et un anneau de ren- forcement intégrant reliant les parties extérieures des- dites aubes, à partir d'un matériau composite armé de fibres, comprend le positionnement d'un élément de protection de forme annulaire comprenant une fibre de renforcement sensiblement continue s'étendant circonférenciellement et enfermée dans un matériau de matrice autour des parties situées radialement à l'extérieur d'un réseau annulaire de pièces d'insertion mises en place dans un moule divisible délimitant la forme dudit élément à aubes intégrant, lesdites pièces d'insertion étant dans une configuration telle qu'elles définissent les espaces entre aubes aérodynamiquement profilées adjacentes, la fermeture dudit moule et l'in- jection d'un mélange de fibres courtes dispersées dans un matériau de matrice depuis la partie centzale de l'intérieur dudit moule de façon à ce que le mélange remplisse ladite partie centrale, et s'écoule entre les- dites pièces d'insertion pour atteindre et devenir con- tigues audit élément de protection de forme annulaire, de façon à ce que la majorité desdites fibres courtes, entre lesdites pièces d'insertion, soient généralement orientées radialement, Selon un autre aspect de la présente invention, un procédé de fabrication d'un élément à aubes annulaire comprenant un disque ayant une pluralité d'aubes aérody- namiquement profilées s'étendant radialement sur sa péri- phérie et une ouverture centrale et un élément de protec- tion reliant les parties radialement extérieures desdites aubes à partir d'un matériau composite renforcé par des fibres, comprend l'enroulement d'une fibre sensiblement continue autour des parties situées radialement à luexté- rieur d'un réseau annulaire de pièces d'insertion mises en place dans un moule divisible délimitant la forme dudit élément à aubes intégrant, lesdites pièces d'insertion étant dans une configuration telle qu'elles définissent les espaces entre aubes adjacentes sur ledit disque, de façon à ce que ladite fibre constitue la fibre de renforcement dudit élément de protection, la fermeture dudit moule et l'injection d'un mélange de fibres courtes dispersées dans un matériau de matrice dans la partie centrale de l'intérieur dudit moule de façon à ce que le- dit mélange remplisse ladite partie centrale et s'écoule entre lesdites pièces d'insertion, de façon à ce que la majorité desdites fibres courtes entre lesdites pièces d'insertion soientgénéralement alignées radialement pour imprégner ladite fibre enroulée, l'injection d'un maté- riau de remplissage dans ladite fibre enroulée de façon à imprégner toutes les parties qui n'ont pas.été impré- gnées par ledit mélange de matériau de matrice et de fibres courtes de façon à définir ledit élément de protection intégrant et ensuite l'ouverture dudit moule pour libérer l'élément à aubes intégrant ainsi produit. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif en regard des dessins ci-joints, et qui fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur les dessins: Les Figures 1 à 5 illustrent différentes étapes du procédé de fabrication d'un disque à aubes ayant un élé- ment de protection intégrant selon la présente invention. La Figure 6 représente un disque à aubes réalisé selon la présente invention. La Figure 7 est une vue en coupe d'une partie du disque à aubes représenté sur la Figure 6. La Figure 8 est une vue en coupe d'une partie du disque à aubes représenté sur la Figure 6 quand il est monté sur un arbre tournant. 5. En référence aux Figures 1 à 5, une partie 10 d'un moule divisible 11 comprend une partie en forme de disque 12 sur laquelle est fixé un réseau annulaire de pièces d'insertion 13. Les pièces d'insertion 13 sont dans une configuration telle que leurs surfaces adjacentes 14 coopèrent pour définir les parois latérales d'un réseau annulaire d'aubes aérodynamiquement profilées s'étendant radialement et espacées circonférenciellement. La partie en forme de disque 12 est de plus munie d'une pièce d'insertion cylindrique 15 en son centre dans le but de définir un trou central dans le disque à aubes qui doit être produit. Une longueur continue d'une fibre de carbone sèche 11il est enroulée sous tension autour des parties situées radialement à l'extérieur des pièces d'insertion 13 pour définir un anneau de fibres, comme on peut le voir sur - la Figure 2, qui constituera le renforcement d'un élément de protection continu sur le disque à aubes à produire. Un tel élément de protection doit nécessairement être en mesure de résister à des forces centrifuges qui s'appli- quent sur les aubes aérodynamiquement profilées pendant la rotation. Le moule 11 est alors fermé, comme on peut le voir sur la Figure 3, par une autre partie 17 pour définir une enceinte qui délimite la forme d'un disque à aube ayant un élément de protection continu intégrant. Le moule 11 a un orifice central d'alimentation 18 et une pluralité d'orifices d'alimentation- 19 situés radia- lement à l'extérieur autour de sa surface périphérique. Une pluralité d'écrous et de boulons 20 sert à tenir les parties 10, 17 du moule ensemble. Le moule 11 est alors placé dans une machine de moulage à injection courante, comme représenté sur la Figure 4, et un mélange de fibres courtes de carbone dé- 6. coupées et de résine époxy est injecté dans un moule 11 à travers son ouverture d'alimentation centrale 18. Le mélange de fibres et de résine remplit la cavité cen- trale à l'intérieur du moule 11 pour définir un disque 22, comme on peut le voir sur la Figure 6, et s'écoule ensuite entre les surfaces adjacentes 14 des pièces d'insertion 13 pour définir une pluralité d'aubes aéro- dynamiquement profilées 23, s'étendant radialement (également représentées sur la Figure 6), qui font par- tie intégrante du disque 22. La Figure 7 indique les li- gnes d'écoulement du mélange de fibres et de résine après qu'il se soit écoulé entre les pièces d'insertion 13. On verra que l'étranglement de l'écoulement provoqué par les pièces d'insertion 13 amine chaque fibre découpée 24 entre les pièces d'insertion 13 à s'orienter radialement. De plus, les fibres découpées 24 au voisinage des parties situées radialement à l'intérieur des aubes aérodynami- quement profilées 23, bien que ne s'étendant pas radia- lement, sont disposées de façon à favoriser une liaison forte entre les aubes aérodynamiquement profilées 23 et le disque 22. On verra aussi à partir de la Figure 7 qu'une partie du mélange de fibres et de résine injecté s'écoule dans la fibre de carbone enroulée 16 entourant les pièces d'insertion 13. Ceci conduit à un certain degré d'imprégnation de la fibre de carbone 16 enroulée de telle sorte qu'il y a une liaison mécanique des fibres découpées 24 avec la fibre enroulée 16. On verra par con- séquent que cette interaction entre la fibre enroulée et les fibres découpées a pour effet une forte liaison entre les aubes aérodynamiquement profilées 23 ainsi formées et la fibre enroulée 16. L'achèvement de l'imprégnation de la fibre enroulée de carbone 16 est obtenu en injectant une résine époxy 7o à travers des tubes d'alimentation 24 introduits dans les orifices d'alimentation 19 dans la partie du moule 17, définissant ainsi l'élément de renforcement inté- grant continu 30 qui relie entre elles les parties radialement extérieures des aubes aérodynamiquement profilées 23, Aussitôt que l'imprégnation complète de la fibre de carbone enroulée 16 est obtenue-, le moule 11 est placé dans un four et soumis à un cycle de chauffage approprié de façon à cuire la résine, Le moule 11 est alors retiré du four et laissé àrefroidir avant d'être ouvert pour permettre la sortie du disque à aubes 25 ainsi produit que l'on peut voir sur la Figure 6o Comme il a été dit plus haut, la pièce- d'insertion cylindrique 15 sert a délimiter un trou central dans le disque à aubes 25. -1 s'agit du trou 26 que l'on peut voir sur la Figure 6o Le trou 26 facilite le montage du disque à aubes 25 sur un arbre tournant 27 de moteur à turbine à gaz dont on peut voir une partie sur la Figure 8o Une bride 28 est prévue sur l'arbre 27 pour recevoir le disque à aubes 25. Des ouvertures cor- respondantes 29 et 31 respectivement sont prévues dans le disque à aubes 25 et la bride 28 pour recevoir des boulons non représentés qui fixent les deux ensemble. Dans un autre procédé de fabrication selon la présente invention, le procédé décrit ci-dessus est reproduit avec l'exception que la fibre enroulée 16 est remplacée par un élément de renforcement en forme d'anneau préfabriqué et que l'injection de l'anneau de renforcement est suppriméo Un tel élément de renforcement comprendrait une fibre continue de carbone et un matériau de matrice à base de résine époxyo Cependant, dans un tel procédé de fabri- cation, le mélange injecté de fibres et de résine n'impré- gnera-it évidemment pas 1' élément de protection. La résine 8. epoxy dans l'élément de protection pourrait être cuite avant le moulage par injection ou bien pourrait ne pas être cuite de sorte qu'elle serait ensuite cuite avec la résine époxy dans le mélange de fibres et de résine injecté. Bien que la présente invention ait été décrite en référence à la fabrication d'un disque à aubes 25 aui est fabriqué à partir de fibres de carbone, découpées et continues, dans une matrice en résine époxy, d'autres matériaux adaptés peuvent être utilisés si on le souhaite. Ainsi, l'élément de protection 30 du disque à aubes 25 pourrait être renforcé par des fibres de carbure sili- cone, d'acier ou d'alumine et avoir un matériau de ma- trice qui soit de l'aluminium ou des alliages d'alumi- nium, du magnésium ou des alliages de magnésium, du titane ou des alliages de titane, ou une résine polyi- mide. De même, le disque 22 et les aubes aérodynamique- ment profilées pourraient être moulés par injection avec des fibres découpées de carbure silicone ou d'alumine dans un matériau de matrice qui soit de l'aluminium ou des alliages d'aluminium ou de magnésium ou des alliages de magnésium ou du titane ou des alliages de titane ou bien dans un matériau de matrice fait d'un polymère ther- moplastique résistant à de hautes températures tel qu'un polyétheréthercétone ou un polyéthersulfone. De plus, le disque 22 et les aubes aérodynamiquement profilées 23 et l'élément de protection 30 n'ont pas besoin d'être fabriqués à partir de la même combinaison de fibres et de matériaux de remplissage. Il est envisagé que le procédé de la présente inven- tion puisse être utilisé dans la fabrication de rotors à aubes 25 dont la configuration présente des caractéris- tiques rentrantes telles qu'ils ne puissent pas être fa- cilement retirés du moule 11 après le moulage. Dans de telles conditions, les pièces d'insertion de moulage 13 fabriquées à partir d'un alliage à basse température de fusion pourraient par exemple être utilisées. L'al- liage serait fondu et retiré avant le retrait du disque à aubes 25 du moule 11. Si le rotor à aubes 25 est fa- briqué à partir d'un matériau de matrice métallique renforcé par des fibres, alors des pièces d'insertion 13 à base de céramique décomposable par l'eau pourraient être utilisées en remplacement. Bien que la présente invention ait été décrite en référence à un rotor à aubes et un procédé de fabrication d'un tel rotor à aubes, on s'apercevra qu'elle n'est pas limitée à des éléments de rotors et qu'elle pourrait être appliquée à des éléments de stators. Dans le cas d'un élément annulaire à aubes de stator le disque portant les aubes aérodynamiquement profilées aurait une ouver- ture d'un diamètre plus important en son centre, de façon à ce que le disque ouvert soit effectivement un élément en forme d'anneau offrant un support pour les parties situées radialement à l'intérieur des aubes aérodynami- quement profilées. 10. REVENDICATIONS 1. Elément annulaire à aubes comprenant un disque ayant une pluralité d'aubes aérodynamiquement profilées intégrantes s'étendant radialement sur sa périphérie et une ouverture centrale et un élément protecteur intégrant reliant entre elles les parties radialement extérieures desdites aubes, caractérisé en ce que ledit disque (27) et les aubes aérodynamiquement profilées (23) sont fa- briqués à partir d'un matériau composite comprenant une pluralité de fibres de renforcement courtes dispersées à l'intérieur d'un matériau de matrice, la majorité au moins desdites fibres courtes de renforcement à l'inté- rieur desdites aubes (23) aérodynamiquement profilées étant généralement radialement orientées, ledit élément de protection (30) étant fabriqué à partir d'une fibre de renforcement enfermée dans le matériau de remplis- sage s'étendant circonférenciellement et sensiblement continue. 2. Procédé de fabrication d'un élément à aubes d'une seule pièce selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé comprend l'enroulement d'une fibre sen- siblement continue autour des parties radialement exté- rieures d'un réseau annulaire de pièces d'insertion (13) disposées sur un moule divisible (11) définissant la forme dudit élément à aubes intégrant (25), lesdites pièces d'in- sertion (13) étant dans une configuration telle qu'elles définissent les espaces entre aubes adjacentes (23) sur ledit élément (25), de façon à ce que ladite fibre cons- titue la fibre de renforcement dudit élément de renforce- ment (30), la fermeture dudit moule (11) et l'injection d'un mélange de fibres courtes dans un matériau de ma- trice dans la partie centrale de l'intérieur dudit moule (11) de façon à ce que le mélange remplisse ladite par- tie centrale et s'écoule entre lesdites pièces d'insertion (13), de façon à ce que la majorité desdites fibres courtes entre lesdites pièces d'insertion (13) soient ill généralement orientées radialement pour imprégner par- tiellement ladite fibre enroulée, l'injection d'un ma- tériau de remplissage dans ladite fibre enroulée de façon à imprégner toutes les parties qui n'ont pas été impré- gnées par ledit mélange de matériau de matrice et de fibres courtes de façon à définir ledit élément de ren- forcement intégrant, et ensuite l'ouverture dudit moule (11) pour libérer l'é.lément à aubes intégrant (25) ainsi produit. 3. Procédé de fabrication d'un élément à aubes d'une seule pièce selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite fibre sensiblement continue enroulée autour des parties radialement extérieures desdites piè- ces d'insertion (13) est enroulée ainsi sous tension. 4a Procédé de fabrication d'un élément à aubes d'une seule pièce selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé comprend le positionnement d'un élément de protection (30) de forme annulaire comprenant une fibre de renforcement continue s'étendant circonfé- renciellement enfermée dans un matériau de matrice autour des parties radialement extérieures d'un réseau annulaire de pièces d'insertion (13) mises en place dans un moule divisible (11) définissant la forme d'un élément à aubes intégrant, lesdites pièces d'insertion (13) étant dans une configuration telle qu'elles définissent les espaces entre aubes aérodynamiquement profilées (23), la ferme- ture dudit moule (11) et l'injection d'un mélange de fibres courtes dispersées dans un matériau de matri- ce dans la partie centrale de l'intérieur dudit moule (11) de façon à ce que ledit mélange remplisse ladite partie centrale et s'écoule entre lesdites pièces d'in- sertion pour atteindre et être confiné sur ledit élément de protection de forme annulaire (30) de façon à ce que lesdites fibres courtes, au moins entre lesdites pièces d'insertion (13) soient généralement orientées radiale- ment. 5. Procédé de fabrication d'un élément à aubes d'une seule pièce selon l'une quelconque des revendica- tions 2, 3 et 4, caractérisé en ce que ladite fibre sensi- blement continue dans ledit élément de protection inté- grant est de carbone, de carbure silicone, d'acier ou d'alumine. 6. Procédé de fabrication d'un élément à aubes d'une seule pièce selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 5, caractérisé en ce que lesdites fibres courtes sont de carbone, de carbure silicone, ou d'alumine. 7. Procédé de fabrication d'un élément à aubes d'une seule pièce selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 6, caractérisé en ce que ledit matériau de matrice mélangé avec des fibres courtes est une résine époxy, une résine polyétheréthercétone, une résine poly- éthersulphone, de l'aluminium ou un alliage d'aluminium, ou du magnésium ou un alliage de magnésium, ou du titane ou un alliage de titane. 8. Procédé de fabrication d'un élément à aubes d'une seule pièce selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 7, caractérisé en ce que ledit matériau de ma- trice dans ledit élément de protection intégrant {30) est une résine époxy, un polyimide, de l'aluminium ou un al- liage d'aluminium, ou du magnésium ou un alliage de magné- sium, ou du titane ou un alliage de titane. 9. Procédé de fabrication d'un élément à aubes d'une seule pièce selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que lesdites pièces d'insertion {13) sont fabriquées à partir d'un alliage à bas point de fu- sion, ledit alliage étant fondu avant le retrait de ilé- lément à aubes ainsi produit dudit moule (11). 10. Procédé de fabrication d'un élément à aubes d'une seule pièce selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 8, caractérisé en ce que lesdites pièces d'in- sertion (13) sont fabriquées à partir d'une composition de céramique décomposable par l'eau.