Brevet FR2684719A1 — publié le 19930611

Les évolutions actuelles des turbomachines aéronautiques, tant sur le plan performance que dimensionnel, incitent à envisager de plus en plus l'utilisation de matériaux composites. En particulier, les moteurs équipés d'aubages de grand diamètre, devront comporter des aubes réalisées en matériaux composites, totalement, ou partiellement. La même application peut être envisagée pour les aubes de compresseur soumises à de très hautes températures, comme par exemple dans les moteurs hypersoniques. Chaque aube réalisée en matériaux composites est constituée en réalité par l'assemblage d'une pluralité de composants élémentaires, nappes de matériaux composites tissés ou non, et, pour celles tissées, de tissages et de constitutions parfois différents, noyau central, dont la variété risque de rendre le produit fini hétérogène. L'invention propose une nouvelle structure d'aubes en matériaux composites qui assure une excellente résistance mécanique de chaque aube assemblée et améliore sa résistance et son comportement aux chocs. L'invention est donc relative à une aube de turbomachine, comprenant un noyau central recouvert par une pluralité de nappes de matériau composite. Selon l'invention, les dites nappes sont traversées par un réseau de fibres transversales. Les avantageuses positions suivantes sont en outre de préférence adoptées: un manchon présentant une extrémité ouverte et une extrémité fermée, réalisé en un matériau composite tissé, reçoit l'ensemble du noyau central et des nappes le recouvrant, et est traversé par ledit réseau de coutures transversales: le noyau central est lui-même réalisé en un matériau composite et est traversé par lesdites coutures transversales; l'aube comprend une partie aérodynamique et un pied de fixation, cependant que la densité des points de couture est supérieure dans la zone de la partie aérodynamique la plus éloignée du pied de fixation à celle dans la zone de la partie aérodynamique la plus proche du pied de fixation. L'avantage principal des aubes conformes à l'invention est l'obtention d'une augmentation importante de leur résistance mécanique et une amélioration de leur comportement aux chocs, rendant possible leur emploi dans des turbomachines à hautes performances et/ou à aubages de grands diamètres. L'invention sera mieux comprise, et des caractéristiques secondaires et leurs avantages apparaîtront au cours de la description d'une réalisation donnée ci-dessous à titre d'exemple. Il est entendu que la description et les dessins ne sont donnés qu'à titre indicatif et non limitatif. Il sera fait référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une coupe transversale d'une aube conforme à l'invention; la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de l'aube de la figure 1; et la figure 3 est une vue perspective de l'aube des figures 1 et 2. L'aube de turbomachine représentée sur les dessins comporte un noyau central 1, incluant ici le pied de fixation 2 de l'aube; une pluralité de nappes 3 d'un matériau tissé, appliquées sur la face externe du noyau central, ne recouvrant pas, dans l'exemple représenté, le pied de fixation 2; un manchon 4 présentant une seule extrémité ouverte, en matériau composite tissé, recouvrant l'ensemble des nappes 3, jusqu'au pied de fixation 2 non compris, l'autre extrémité du manchon étant fermée. Le noyau central 1 (y compris le pied de fixation 2) est réalisé en matériau composite Selon un premier mode de réalisation, il s'agit de la superposition d'une pluralité de nappes élémentaires de tissus de fibres (de carbone, de verre, ou d'un matériau analogue) préimprégnées de résine Selon une autre réalisation, le noyau central 1 est réalisé par l'injection dans un moule de la résine, avec, ou sans structures fibreuses tissées introduites dans le moule avant l'injection de la résine Le noyau central peut par ailleurs comporter des inserts de nature non résineuse: en mousse, ou métalliques (des longerons métalliques, dans certaines réalisations) Le noyau central peut être réalisé par un tissage tridirectionnel Les tissages tridimensionnels ou multidirectionnels sont repérés 3 D (à trois directions perpendiculaires deux à deux); 3 X (à une direction perpendiculaire aux deux autres: structures notamment fabriquées par la Société BROCHIER S A); 2,5 D (à deux directions perpendiculaires, plus une troisième: structures COTTON conçues par le Société AEROSPATIALE. Les nappes 3 sont également réalisées en matériaux composites tissés, notamment en fibres préimprégnées de résine Ces fibres sont choisies parmi les fibres organiques (carbone, aramide), céramiques (verre, carbure de silicium), métalliques Les fibres sont utilisées soit sèches, sans matrice d'imprégnation; soit préimprégnées, telles qu'alors au moyen des résines époxy, PMR 15, thermoplastiques, céramiques, vitrocéramiques, etc Les tissages utilisés sont bidirectionnels: il s'agit de satin, de serge, de taffetas, et analogues Les structures adoptées peuvent encore être tridirectionnelles ou multidirectionnelles Des structures unidirectionnelles, dont les fibres sont toutes orientées dans la même direction, sont utilisables, notamment dans la réalisation du noyau central 1. Le manchon 4 est, dans certaines réalisations, tricoté, constitué par des fibres de préférence imprégnées de résine. L'ensemble du noyau central 1, des nappes 3, et du manchon 4 constitue une structure multidirectionnelle, assemblage de structures élémentaires La liaison entre ces structures élémentaires est réalisée par des fils de coutures 5 qui, notamment, traversent les diverses structures dans un sens transversal par rapport à l'axe longitudinal général 6 de l'aube, qui s'étend du pied de fixation 2 à l'extrémité 7 de l'aube Les fils 5 sont disposés selon des directions sensiblement perpendiculaires aux faces externes 8 de l'aube Les fils 6 des coutures sont de même nature que les fibres: organique (carbone, aramide); céramiques (verre, carbure de silicium); ou métalliques La structure est ensuite imprégnée, puis polymérisée dans un moule pour obtenir la pièce finie Une deuxième solution consiste à placer la structure sèche dans un moule et d'y introduire la résine par injection pour obtenir la pièce. Sur la figure 3, des courbes 9, 10, 11 séparent l'aube, dans le sens longitudinal, en quatre zones 12, 13, 14 et 15, depuis son extrémité 7 jusqu'au pied de fixation 2 La silhouette 16 du noyau central est en outre représentée en pointillé Dans chaque zone 12, 13, 14, 15 les points de couture ont une densité déterminée D 12, D 13, D 14, D 15, la densité décroissant de la zone 12 la plus proche de l'extrémité 7 à la zone 15 adjacente au pied de fixation 2 D 12 > D 13 > D 14 > D 15. A titre indicatif, les constitutions suivantes permettent l'obtention d'aubes légères et mécaniquement résistantes: application sur le noyau central 1, réalisé par tissage 3 D en fibres de carbone, de nappes bidirectionnelles en fibres de carbone, puis de nappes bidirectionnelles en fibres de verre, et coutures en fibres de carbone; application sur le noyau central 1 de nappes 3 D en fibres de carbone, puis de nappes bidirectionnelles en fibres de carbone, puis de nappes bidirectionnelles en fibres de verre, les fils de couture étant réalisés en aramide ou en carbone; application sur le noyau central 1, après inclusion de longerons métalliques, de nappes 2,5 D en fibres de carbone, puis de nappes bidirectionneles en fibres de verre, et coutures en fibres de carbone; application sur le noyau central 1, réalisé par tissage 2,5 D en fibres de carbone, de nappes 2,5 D en fibres de carbone, puis de nappes bidirectionnelles en fibres de carbone, puis application d'un manchon tricoté en fibres de verre, et coutures en fibres de carbone. Les aubes obtenues, plus légères que des aubes entièrement métalliques, ont une excellente résistance mécanique, aussi bien aux efforts centrifuges, qu'aux chocs, y compris lorsqu'elles sont exposées à des températures élevées. L'invention n'est pas limitée à la réalisation représentée ni aux réalisations décrites, mais en couvre au contraire toutes les variantes qui pourraient leur être apportées sans sortir de leur cadre, ni de leur esprit. REVENDICATIONS 1 Aube de turbomachine, comprenant un noyau central ( 1) recouvert par une pluralité de nappes de matériau composite, caractérisée en ce que lesdites nappes ( 3) sont traversées par un réseau de coutures transversales ( 5). 2 Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un manchon ( 4) présentant une extrémité ouverte et une extrémité fermée, réalisé en un matériau composite tissé, reçoit l'ensemble du noyau central ( 1) et des nappes ( 3) le recouvrant, et est traversé par ledit réseau de coutures transversales ( 5). 3 Aube selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le noyau central ( 1) est lui-même réalisé en un matériau composite et est traversé par lesdites coutures transversales ( 5). 4 Aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, de manière connue en soi, elle comprend une partie aérodynamique et un pied de fixation ( 2), et en ce que la densité (D 12) des points de coutures est supérieure dans la zone ( 12) de la partie aérodynamique la plus éloignée du pied de fixation ( 2) à celle (D 15) dans la zone ( 15) de la partie aérodynamique la plus proche du pied de fixation ( 2).