Brevet FR2695163A1 — publié le 19940304

DESCRIPTION La présente invention concerne une aube creuse pour turbomachine, notamment une aube de soufflante à grande corde et elle concerne également un procédé de fabrication de ladite aube. Les avantages découlant de l'utilisation d'aubes à grande corde pour les turbomachines sont apparus notamment dans le cas des aubes de rotor de soufflante des turboréacteurs à double flux Ces aubes doivent répondre à des conditions sévères d'utilisation et posséder notamment des caractéristiques mécaniques suffisantes associées à des propriétés antivibratoires et de résistance aux impacts de corps étrangers L'objectif de vitesses suffisantes en bout d'aube a en outre amené à rechercher une réduction des masses Ce but est notamment atteint par l'utilisation d'aubes creuses. FR-A-1 577 388 donne un exemple de réalisation d'une aube composée de deux éléments de paroi entre lesquels est disposée une structure en nids d'abeille, ces éléments de paroi étant constitués notamment en alliage de titane et étant formés au profil et à la forme désirés par pressage à chaud. US-A 3 628 226 décrit un procédé de fabrication d'aube creuse de compresseur comportant la mise en oeuvre d'une liaison métallurgique par soudage-diffusion entre deux éléments ou demi-aubes ayant une face d'assemblage plane et rainurée. D'autres techniques connues d'obtention d'aubes creuses, notamment pour soufflante de turboréacteur, associent des opérations de soudage par diffusion métallurgique sous pression et de formage superplastique sous pression de gaz. Un exemple en est illustré par US-A 4 882 823. 2 2695163 Un des buts de l'invention est d'éviter de faire appel à ces techniques connues dont la mise en oeuvre est complexe et les mises au point particulièrement délicates. Une aube creuse du type précité pour turbomachine répondant aux conditions précitées sans encourir les inconvénients des solutions connues antérieures est caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un ensemble monobloc comportant une pale présentant une multiplicité d'évidements transversaux selon l'épaisseur de pale et en ce que la continuité de surface d'intrados et d'extrados de la pale est reconstituée au moyen de bouchons solidarisés audit ensemble monobloc de pale et disposés à l'intérieur desdits évidements. Un procédé avantageux de fabrication de ladite aube creuse comporte les étapes suivantes: a) réalisation par forgeage d'une aube monobloc, b) usinage de trous multiples régulièrement répartis sur la pale d'aube de manière à laisser intacte une zone de largeur déterminée de bords d'aube et à atteindre ailleurs un taux d'évidement voisin de 90 %. c) réalisation de bouchons de contour adapté aux trous réalisés lors de l'étape (b) et au profil déterminé de la surface de pale à obtenir soit d'intrados, soit d'extrados. d) mise en place des bouchons réalisés lors de l'étape (c) dans les trous de pale réalisés lors de l'étape (b) e) soudage au moyen d'un faisceau à haute énergie de manière à solidariser lesdits bouchons et ladite pale d'aube f) opérations de finition du profil aérodynamique déterminé. En fonction des caractéristiques mécaniques recherchées, les trous de pale peuvent être circulaires ou présenter d'autres formes telles que hexagonales Les trous peuvent être débouchants ou non et dans ce dernier cas, être disposés du côté intrados ou du côté extrados de la pale d'aube. Dans le cas de trous débouchants, avantageusement pour chaque trou, un premier bouchon est placé du côté intrados et un second bouchon, du côté extrados Dans ce cas, avant mise en place sur la pale d'aube, un assemblage préalable par soudage des premiers et seconds bouchons par deux peut être effectué. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente une vue schématique d'une aube forgée monobloc, au stade initial de fabrication d'une aube creuse de turbomachine conforme à l'invention, la figure 2 représente une vue schématique de l'aube représentée sur la figure 1, à un stade intermédiaire de sa fabrication, la figure 3 représente une vue en coupe transversale de l'aube représentée sur la figure 2, la figure 4 montre un exemple schématique de répartition des évidements sur une pale d'aube conforme à l'invention, la figure 5 montre un exemple schématique de réalisation et de mise en place des bouchons sur la pale d'aube, suivant une vue partielle en coupe transversale de l'aube, les figures 6 et 7 montrent, suivant un schéma analogue à celui de la figure 4, d'autres formes de réalisation des évidements, la figure 8 montre un autre exemple schématique de réalisation et de mise en place des bouchons assemblés par deux, la figure 9 représente selon une vue schématique en coupe transversale suivant la ligne VIII-VIII de la figure 2 une variante de réalisation du pied d'aube. Une aube creuse pour turbomachine conforme à l'invention est obtenue par la mise en oeuvre des étapes suivantes du procédé de fabrication conforme à l'invention. a) Au cours d'une première étape de réalisation, une aube 1 monobloc, ébauchée au plus près de ses cotes finales est obtenue par forgeage, en appliquant un procédé connu en soi, et telle que schématiquement représentée sur la figure 1 De manière connue, l'aube 1 comporte une embase de fixation ou pied 2, une partie à profil aérodynamique ou pale 3 constituée de deux parois externes, respectivement d'intrados 4 et d'extrados 5, raccordées par un bord d'attaque 6 et un bord de fuite 7 et destinée à être placée dans la veine de circulation du flux d'air de la turbomachine Suivant les applications particulières, l'aube peut comporter une partie intermédiaire appelée échasse 8 de raccordement entre le pied 2 et la pale 3. b) On usine ensuite, par tout procédé connu adapté à cette réalisation et comme schématiquement représenté sur les figures 2 et 3, une multiplicité de trous 9 sur la pale 3 de l'aube 1, selon les directions transversales à ladite pale, sensiblement perpendiculaires au profil de pale Une zone 10 dont la largeur 1 est déterminée en fonction des caractéristiques mécaniques recherchées pour l'aube 1 est laissée exempte de trous 9 au voisinage des bords d'attaque 6, de fuite 7 et d'extrémité de tête de l'aube 1 Des perçages de trous 9 peuvent également être réalisés dans la zone d'échasse 8 de l'aube 1 Comme cela est visible sur les figures 2, 3 ou sur la figure 4 qui montre un exemple de répartition des trous 9, les trous 9 forment un réseau dense et les épaisseurs de parois 19 entre deux trous 9 voisins sont déterminées en fonction des caractéristiques mécaniques recherchées pour l'aube 1 Dans les zones prévues, le taux d'évidement obtenu est voisin de % On peut également dans certaines applications déterminer une direction de perçage des trous 9 sensiblement perpendiculaire à la corde du profil de l'aube 1. c) Parallèlement, on réalise des éléments de type bouchons 12 dont le contour périphérique reproduit celui des trous 9 de l'aube 1 La cote réalisée correspond à un ajustement glissant entre bouchon 12 et trou 9, tel que H 7 g 6 par exemple Grâce à la mise en oeuvre de moyens d'usinage à commande numérique par exemple, la surface externe 13 de chaque bouchon 12 reproduit le profil recherché de la surface de pale 3 d'aube pour l'emplacement prévu dudit bouchon 12. L'épaisseur 14 du fond du bouchon 12 correspond à l'épaisseur déterminée souhaitée pour la paroi d'aube Du côté interne, un rayon de raccordement 15 adéquat est prévu entre le fond et la paroi latérale cylindrique 16 du bouchon 12. d) Tous les bouchons 12 sont ensuite mis en place et immobilisés sur les trous 9 de l'aube 1, respectivement soit du côté intrados, soit du côté extrados. e) On procède ensuite à la fixation des bouchons 12 au moyen d'un soudage par faisceau à haute énergie sur la périphérie de chaque bouchon 12 à l'intérieur de son logement correspondant constitué par le trou 9 de l'aube 1 Suivant les applications particulières, le mode de mise en oeuvre peut varier Notamment, un soudage simultané peut être effectué sur un premier bouchon 12 situé du côté intrados de l'aube 1 et sur un deuxième bouchon 12, situé du côté extradas de l'aube 1 ou, au contraire, le soudage peut être effectué successivement d'un côté puis de l'autre, dans un ordre approprié, permettant de minimiser les risques de déformation de pièce Le faisceau à haute énergie utilisé pour le soudage peut notamment être un faisceau d'électrons ou un faisceau provenant d'une source LASER. f) Lorsque tous les bouchons 12 sont fixés par soudage, on procède aux opérations habituelles de contrôle et on effectue des opérations de finition afin d'obtenir le profil aérodynamique et l'état de surface recherchés de l'aube. L'aube creuse 1 obtenue au moyen du procédé de réalisation conforme à l'invention qui vient d'être décrit en référence aux figures 1 à 5 présente des avantages notables outre les facilités de mise en oeuvre dudit procédé tant en ce qui concerne la réalisation des bouchons 12 que celle des soudures Par rapport à certaines solutions connues antérieures qui nécessitent l'utilisation de deux pièces brutes, l'invention ne nécessite qu'une seule pièce brute forgée Les caractéristiques techniques de l'aube creuse 1 obtenue sont avantageuses Notamment, un taux d'évidement global de l'ordre de 60 % à 70 % est obtenu pour l'aube 1 terminée La forme des bouchons 12 et notamment la définition du rayon de raccordement entre fond et paroi latérale leur confèrent une bonne résistance aux chocs qui est une caractéristique importante des aubes de rotor de soufflante auxquelles s'applique l'invention En outre, l'orientation des soudures de bouchons est favorable par rapport au sens des contraintes mécaniques en fonctionnement pour assurer une résistance suffisante en fatigue. La structure de l'aube creuse 1 conforme à l'invention peut présenter certaines variantes de réalisation Notamment, la forme géométrique des évidements ou trous 9 et la forme qui en résulte de la périphérie des bouchons correspondants 12 a été représentée circulaire sur les figures 1 à 5 Mais d'autres formes géométriques peuvent être envisagées, telles que rectangulaires à angles arrondis et une forme particulièrement avantageuse dans certaines applications est la forme hexagonale, comme schématiquement représentée sur la figure 6, montrant les évidements hexagonaux 9 a de la pale d'aube La figure 7 montre un autre arrangement de géométrie des évidements 9 b et des bouchons correspondants La géométrie choisie est optimisée dans chaque cas par le calcul de résistance correspondant aux conditions d'utilisation. La figure 8 représente schématiquement une autre variante de réalisation Un bouchon 12 a est dans ce cas constitué de deux parties ou demibouchons 12 b et 12 c qui sont soudés entre eux avant la mise en place dans un trou 9 de l'aube 1 Après mise en place, une surface externe 13 a du bouchon 12 a forme une partie de la surface extrados de l'aube 1 tandis que l'autre surface externe 13 b du bouchon 12 a forme une partie de la surface intrados de l'aube 1 Par ailleurs, les étapes (d) de mise en place (e) de soudage et (f) de finition dans le procédé de fabrication de l'aube creuse 1 conforme à l'invention sont effectuées comme précédemment décrites. Les trous ou évidements 9 ou 9 a dans les modes de réalisation qui viennent d'être décrits sont débouchants mais il peut être envisagé, pour certaines applications particulières, d'effectuer des perçages borgnes, soit du côté intrados, soit du côté extrados de l'aube 1 Il s'ensuit qu'un seul bouchon est dans ce cas placé du côté évidé de l'aube. Une disposition complémentaire peut également dans certaines applications être adjointe concernant le pied 2 de l'aube. Dans ce cas, des perçages borgnes 17 sont effectués dans le pied 2 et de manière analogue à la pale 3, un bouchon 18 est mis en place et fixé par soudure dans le trou 17, comme schématiquement représenté sur la figure 9. REVENDICATIONS 1 Aube creuse pour turbomachine caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un ensemble monobloc ( 2-3-8-) comportant une pale ( 3) présentant une multiplicité d'évidements ( 9) transversaux selon l'épaisseur de pale et en ce que la continuité de surface d'intrados ( 4) et d'extrados ( 5) de la pale ( 3) est reconstituée au moyen de bouchons ( 12) solidarisés audit ensemble monobloc et disposés à l'intérieur desdits évidements ( 9). 2 Aube creuse selon la revendication 1 dans laquelle lesdits évidements ( 9) sont des trous débouchants. 3 Aube creuse selon la revendication 1 dans laquelle lesdits évidements ( 9) sont des trous borgnes effectués sur l'une des parois de pale, d'intrados ou d'extrados. 4 Aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans laquelle lesdits évidements ( 9) ont un contour géométrique circulaire. Aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans laquelle lesdits évidements ( 9 a) ont un contour géométrique hexagonal. 6 Aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans laquelle lesdits évidements ( 9 b) ont un contour géométrique à coins arrondis dont la forme est optimisée d'après les calculs de résistance dans les conditions d'utilisation. 7 Aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1,2,4 à 6 dans laquelle dans chaque évidement débouchant ( 9) est placé un premier bouchon ( 12) du côté intrados et un deuxième bouchon ( 12) du côté extrados respectivement solidarisés par soudure sur la pale ( 3). 8 Aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1,2,4 à 6 dans laquelle dans chaque évidement débouchant ( 9) est placé un bouchon unique ( 12 a) constitué de deux demi- bouchons ( 12 b, 12 c) solidarisés entre eux par soudure. 9 Aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans laquelle la zone d'aube présentant lesdits évidements ( 9) exclut une zone ( 10) de bords d'aube d'une largeur 1 déterminée correspondant au bord d'attaque ( 6), au bord de fuite ( 7) et à l'extrémité de tête d'aube. Aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans laquelle la zone d'aube présentant lesdits évidements ( 9) comporte un zone de raccordement entre pale ( 3) et pied ( 2) d'aube ou échasse ( 8). 11 Aube creuse selon l'une quelconque des revendications 1 à dans laquelle le pied ( 2) d'aube comporte des perçages borgnes ( 17) dans lesquels sont disposés des bouchons ( 18) solidarisés sur ledit pied ( 2) par soudure. 12 Procédé de fabrication d'une aube creuse pour turbomachine conforme à l'une quelconque des revendications 1 à il caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes a) réalisation par forgeage d'une aube monobloc ( 1), b) usinage de trous multiples ( 9) régulièrement répartis sur la pale ( 3) d'aube de manière à laisser intacte une zone ( 10) de largeur déterminée de bords d'aube et à atteindre ailleurs un taux d'évidement voisin de 90 %, c) réalisation de bouchons ( 12) de contour adapté aux trous ( 9) réalisés lors de l'étape (b) et au profil déterminé de la surface de pale à obtenir soit d'intrados ( 4), soit d'extrados ( 5), d) mise en place des bouchons ( 12) réalisés lors de l'étape (c) dans les trous ( 9) de pale réalisés lors de l'étape (b). e) soudage au moyen d'un faisceau à haute énergie de manière à solidariser lesdits bouchons ( 12) et ladite pale d'aube ( 1), f) opérations de finition du profil aérodynamique déterminé. 13 Procédé de fabrication d'une aube creuse pour turbomachine selon la revendication 12 dans lequel après l'étape (c), une étape intermédiaire (cl) comporte l'assemblage par deux desdits bouchons par soudure de manière qu'une partie ( 12 b) du bouchon ( 12 a) obtenu corresponde au profil de surface d'extrados de l'aube ( 1) et que l'autre partie ( 12 c) dudit bouchon ( 12 a) corresponde au profil de surface d'intrados de l'aube 1, après sa mise en place et soudage lors des étapes (d) et (e).