Brevet FR2718101A1 — publié le 19951006

" Pale selon un mode de fabrication composite à base de fibres ayant un profil protecteur en cas de rencon- tre de corps étrangers, blocs de glace, oiseaux ou autres " L'invention concerne une pale d'hélice ou de soufflante pour turbomachines avec une pale réalisée selon le mode de construction compose à base de fibres et avec un profilé de protection disposé le long du bord d'attaque et/ou du bord de fuite de la pale, constitué séparément du composite à base de fibres, pale dans laquelle le profilé de protection qui s'étend de façon enveloppante, au moins par sections sur le côté en pression et/ou en aspiration de la pale par rapport à une ligne médiane de la pale. Du fait de leurs propriétés favorables dans le domaine de la technique des matériaux, on fabrique des pa- les de turbomachines, comme par exemple des pales soufflan- tes de moteurs à turbine, des pales d'hélice et des pales de rotor d'hélicoptères et d'éoliennes de façon croissante en matériau renforcés avec des fibres. Ces matériaux ont l'avantage d'avoir une résistance élevée et un faible poids, par ailleurs ils ont en propre l'inconvénient de se montrer sensible à l'érosion en fonctionnement. Ils sont soumis selon leurs conditions d'utilisation à la pluie et à l'érosion par les particules (par exemple les insectes et le sable). En particulier ils réagissent de façon sensible quand ils rencontrent des corps étrangers assez grands, tels que par exemple des blocs de glace, des pierres, des oiseaux entre autres. Cet inconvénient vaut particulière- ment pour les bords d'attaque étroits des pales et en fait d'autant plus que la vitesse relative de la pale est élevée par rapport à celle de la particule entrant en collision. On ne peut toutefois en aucun cas tolérer une modification du profil du fait de l'érosion eu égard à la conservation d'une qualité aérodynamique élevée. Pour protéger des pales de rotor, il est connu dans le domaine de la construction des hélicoptères de pourvoir le bord d'attaque de la pale d'un profilé en tôle collé. Il est toutefois apparu que dans le cas o sont appliqués des coups vibrants, par exem- ple dus à des corps étrangers, que l'endroit du collage est défaillant et que le profilé en tôle s'écaille alors le plus souvent et se détache complètement du reste de la pale. En partant de là, l'invention a pour objet d'in- diquer une protection contre l'érosion et l'impact de corps étrangers pour des pales d'hélice et des pales de souf- flante dans les modes de construction employant des compo- sites à base de fibres, protection qui forme aussi en cas d'endommagement local une liaison fiable avec la pale. Selon l'invention, on résout le problème grâce au fait que le profilé de protection est cousu au moyen d'un ou plusieurs fils par renforcement sur la pale avec celle- ci, les fils passant transversalement à travers un certain nombre de couches de fibres. Le dispositif selon l'invention a l'avantage qu'en cousant le profilé de protection sur la pale, on ob- tient entre ceux-ci une liaison par la forme qui augmente 0 considérablement l'adhérence du profilé de protection sur la pale, en particulier après l'impact brutal d'un corps étranger sur le profilé de protection par rapport à une liaison par collage. Un avantage essentiel réside dans le fait que même en cas de destruction ou d'endommagement lo- cal des coutures c'est-à-dire dans le cas o des fils sont arrachés, la couture ne continue pas à se défaire sur la zone endommagée, car les fils que l'on a fait passer en travers des couches de fibres forment du fait de leur adhé- rence une liaison solide avec les couches de fibres et de cette façon on empêche de façon sûre la couture de faufi- ler. Selon un développement préféré de l'invention, on constitue le profilé de protection dans la zone des bords d'attaque ou des bords de fuite des pales avec un contour ayant la forme d'un U ou d'un V. De cette façon, on assure une protection fiable même dans le cas de corps étrangers arrivant en travers. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention: - le profilé de protection présente des perçages qui s'étendent perpendiculairement à la surface de la pale, perçages à travers lesquels on fait passer des fils (9) pour les coudre avec la pale; - les perçages sont prévus du côté pression et du côté aspiration sur le profilé de protection; - les perçages sont prévus à l'envers des bords d'attaque ou de fuite de la pale dans la zone de bordure du profilé de protection; - le profilé de protection présente des saillies s'étendant du côté pression et/ou du côté aspiration par rapport à une ligne médiane de la pale (M), situées à une certaine distance les unes des autres dans le sens longitu- dinal de la pale, saillies qui sont pourvues de perçages servant à la couture avec la pale; - l'extension des saillies dans la profondeur de la pale et dans la longueur de la pale ainsi que leur écar- tement les unes des autres sont déterminées de façon à amortir les vibrations de la pale d'hélice ou de souf- flante; - les perçages présentent du côté de l'écoulement une cavité servant à recevoir à plat sur la surface les fils; - dans le profilé de protection, on constitue en- tre les perçages du côté de l'écoulement des renfoncements qui servent à recevoir les fils s'étendant du côté de l'écoulement de manière allongée; - les fils sont noués du côté de l'écoulement pour être fixés par endroits dans les perçages; - les fils sont mis dans les alésages du côté de l'écoulement dans des noeuds et sont fixés au moyen de fils transversaux passant à travers les noeuds; - la pale est cousue en forme de zigzag entre les branches du profilé de protection qui s'étendent par rap- port au milieu (M) de la pale du côté aspiration et du côté pression; les fils s'étendent dans la profondeur de la pale et/ou dans la longueur de la pale en cousant en forme de zigzag un certain nombre de couches de fibres; - le profilé de protection présente des crampons qui viennent en prise dans les couches de fibres par une liaison supplémentaire par la forme avec la pale; - pour assurer une fixation supplémentaire du profilé de protection sur la pale, on colle celle-ci avec le profilé de protection; - le profilé de protection est garni pour assurer une fixation supplémentaire du côté de l'écoulement, au moins en partie, d'une couche composite à base de fibres. Pour éviter la formation sur la surface de la pale de gradins générateurs de résistance, on prévoit des cavités dans les perçages et des renfoncements entre les perçages qui servent à recevoir les fils à plat sur la sur- face. Du fait de la position évidente des cavités et des renfoncements sur la surface du profilé les joints de cou- ture sont accessibles sans avoir aucune autre dépense d'ap- pareillage pour procéder à une inspection visuelle, car des fils qui sont détachés indiquent une couture endommagée. De préférence, le profilé de protection est pour- vu de crampons tournés vers l'intérieur, qui amplifient la liaison par interpénétration par la forme entre la pale et le profilé de protection, par prise dans les couches de fi- bres. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation re- présentés sur les dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une vue d'une pale de turbopropulseur avec des profilés de protection; la figure 2 représente une section transversale de la pale de turbopropulseur selon la figure 1; - la figure 3 montre un fragment agrandi de la pale de turbopropulseur dans la zone d'un perçage cousu, selon la figure 2; - la figure 4 montre un fragment agrandi de la pale de turbopropulseur dans la zone d'un fil noué dans le perçage, selon la figure 2. - la figure 5 montre une vue partielle en pers- pective dans la zone du bord d'attaque de la pale avec un profilé de protection; et - la figure 6 montre un diagramme servant à un essai de pelage d'un échantillon de pale FVK-2D et 3D. Dans le cas de la pale de soufflante 1 représen- tée à la figure 1 d'un moteur à réaction de turbopropulseur que l'on n'a pas davantage représenté, le bord d'attaque 2 et le bord de fuite 3 de la pale 4 sont pourvus de profilés métalliques de protection 5 servant à protéger la pale de l'érosion et de l'impact de corps étrangers, profilés qui s'étendent de la pointe de la pale 6 jusqu'à presque la ra- cine de la pale 7. Pour renforcer la liaison par collage entre la pale 4 et les profilés de protection 5, ceux-ci sont cousus respectivement le long de leur bord profilé 8 tourné vers la ligne médiane de la pale M avec la pale 4 dans plusieurs sections. Les fils 9 des coutures 10 s'éten- dent dans ce cas en ligne droite par sections, recourbés ou dentelés le long du bord du profilé 8 ou aussi entrecroisés avec des fils 9' d'une autre couture 10' sur la largeur du profilé de protection 5. Les coutures 10 peuvent par conse- quent s'étendre dans des modèles différents chacune selon la largeur et la longueur du profilé de protection 5 et les exigences de la liaison. Pour réunir en cousant la pale 4 fabriquée selon le mode de construction composite à base de fibres et le profilé de protection 5, celui-ci est pourvu de perçages 11, à travers lesquels on fait passer les fils 9. Comme on peut le voir plus en détail en coupe transversale à la figure 2, les fils 9 des coutures 10' qui s'étendent dans le sens de la profondeur de la pale passent à travers les couches de fibres 12 de pale 4, en faisant des zigzag, couches qui s'étendent dans le sens de la lon- gueur et de la profondeur de la pale. Pour empêcher la cou- ture 10 de faufiler, on pince par laminage l'extrémité de la fibre 13' entre deux couches de fibres 12', tandis que par une fixation alternative on coud une autre extrémité de fibre 13" à une couche de fibres 12". Comme fixation addi- tionnelle du profilé de protection 5 sur la pale 4 les bords du profilé 8 présentent des crochets tournés vers l'intérieur de la pale, qui viennent en prise avec un cer- tain nombre de couches de fibres superficielles 12. Pour pallier le risque de faufilage, on utilise pour un certain nombre de coutures 10 se trouvant étroite- ment les unes à côté des autres et s'étendant dans le sens transversal et dans le sens longitudinal un fil individuel ininterrompu 9 au lieu de plusieurs fils courts séparés 9, comme on l'a représenté à la figure 2 dans la zone du bord de fuite de la pale 2. Pour cela, le fil 9 est entremaillé en des points de croisement des coutures 10 qui s'étendent dans le sens longitudinal et dans le sens transversal, comme on l'a représenté à la figure 3. A cet endroit, on a mis un morceau de fil à l'intérieur d'un perçage 11 dans un crochet fermé 15, et on entortille ce faisant un morceau de fil s'étendant transversalement. On noue dans une cavité superficielle 16 du perçage 11 (cf: figure 4) et de cette façon on empêche de desserrer des fils 9 qui se terminent superficiellement dans le perçage 11. Pour éviter une ap- plication des coutures 10 qui s'étendent superficiellement, on prévoit entre les perçages 11 sur la surface du profilé de protection 5 des renfoncements de type rainure 17, dont on ajuste la profondeur à l'épaisseur d'un fil 9 pour rece- voir celui-ci (voir figure 5). Pour éviter une vibration de la pale 1 à des vi- tesses de rotation déterminées ou pour les amortir, le pro- filé de protection 5 présente plusieurs saillies en forme de saillies 18 le long du bord du profilé 8 dans la zone de la pointe de la pale 6. Les saillies 18 sont réalisées à une certaine distance les unes des autres dans le sens lon- gitudinal de la pale et s'enfoncent en direction du milieu M de la pale. Pour avoir une liaison sûre, on coud les saillies 18 à la pale 4. La figure 6 montre sur un diagramme la résistance accrue aux chocs d'une liaison composite à base de fibres cousues par rapport à une liaison composite à base de fi- bres qui n'est pas cousue. Pour simuler l'action d'une onde de choc déclenchée par l'impact vertical d'un corps étran- ger, on a écarté en la pelant l'extrémité des échantillons de fibres. Comme on peut le voir sur le diagramme, il est nécessaire pour peler l'échantillon cousu de composite à base de fibres d'avoir une forme F environ dix fois plus grande, qui montre qu'on a une résistance accrue de la pale 1 que l'on a décrite auparavant vis-à-vis de l'impact d'un corps étranger et de la corrosion. Les dentelures dans le virage rendent significative l'influence de la couture sur le forcement de la solidité. R E V E N D I CATIONS 1 ) Pale d'hélice ou de soufflante pour turboma- chines avec une pale réalisée selon le mode de construction composite à base de fibres et avec un profilé de protection disposé le long du bord d'attaque et/ou du bord de fuite de la pale, constitué séparément du composite à base de fi- bres, pale dans laquelle le profilé de protection qui s'étend de façon enveloppante, au moins par sections sur le côté en pression et/ou en aspiration de la pale par rapport à une ligne médiane de la pale, caractérisée en ce que le profilé de protection (5) est cousu au moyen d'un ou plu- sieurs fils (9) par renforcement sur la pale (4) avec celle-ci, les fils (9) passant transversalement à travers un certain nombre de couches de fibres (12). 2 ) Pale d'hélice ou de soufflante selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que le profilé de protec- tion (5) est réalisé dans la zone des bords d'attaque ou de fuite de la pale (2 ou 3) sous forme d'un contour en forme de U ou de V. 3 ) Pale d'hélice ou de soufflante selon la re- vendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le profilé de protection présente des perçages (11) qui s'étendent per- pendiculairement à la surface de la pale, percages à tra- vers lesquels on fait passer des fils (9) pour les coudre avec la pale (4). 4 ) Pale d'hélice ou de soufflante selon la re- vendication 3, caractérisée en ce que les percages (11) sont prévus du côté pression et du côté aspiration sur le profilé de protection (5). ) Pale d'hélice ou de soufflante selon la re- vendication 3 ou 4, caractérisée en ce que les percages (11) sont prévus à l'envers des bords d'attaque ou de fuite (2 ou 3) de la pale dans la zone de bordure du profilé de protection (5). 6 ) Pale d'hélice ou de soufflante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le profilé de protection (5) présente des saillies s'étendant du côté pression et/ou du côté par rapport à une ligne médiane de la pale (M), situées à une certaine dis- tance les unes des autres dans le sens longitudinal de la pale, saillies qui sont pourvues de perçages (11) servant à la couture avec la pale (4). 7 ) Pale d'hélice ou de soufflante selon la re- O10 vendication 6, caractérisée en ce que l'extension des saillies dans la profondeur de la pale et dans la longueur de la pale ainsi que leur écartement les unes des autres sont déterminées de façon à amortir les vibrations de la pale d'hélice ou de soufflante. 8 ) Pale d'hélice ou de soufflante selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisée en ce que les perçages (11) présentent du côté de l'écoulement une cavité (16) servant à recevoir à plat sur la surface les fils (9). 9 ) Pale d'hélice ou de soufflante selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisée en ce que dans le profilé de protection (5), on constitue entre les perçages (11) du côté de l'écoulement des renfoncements (17) qui servent à recevoir les fils (9) s'étendant du côté de l'écoulement de manière allongée. ) Pale d'hélice ou de soufflante selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisée en ce que les fils (9) sont noués du côté de l'écoulement pour être fixés par endroits dans les perçages (11). 11 ) Pale d'hélice ou de soufflante selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisée en ce que les fils (9) sont mis dans les alésages (11) du côté de l'écoulement dans des noeuds (15) et sont fixés au moyen de fils transversaux passant à travers les noeuds (15). 12 ) Pale d'hélice ou de soufflante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pale (4) est cousue en forme de zigzag entre les branches du profilé de protection (5) qui s'étendent par rapport au milieu (M) de la pale du côté aspiration et du côté pression. 13 ) Pale d'hélice ou de soufflante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les fils (9) s'étendent dans la profondeur de la pale et/ou dans la longueur de la pale en cousant en forme de zigzag un certain nombre de couches de fibres (12). 14 ) Pale d'hélice ou de soufflante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le profilé de protection (5) présente des crampons (14) qui viennent en prise dans les couches de fibres par une liaisons supplémentaire par la forme avec la pale (4). ) Pale d'hélice ou de soufflante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que pour assurer une fixation supplémentaire du profilé de protection (5) sur la pale (4), on colle celle-ci avec le profilé de protection (5). 16 ) Pale d'hélice ou de soufflante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le profilé de protection (5) est garni pour assurer une fixation supplémentaire du côté de l'écoulement, au moins en partie, d'une couche composite à base de fibres (12).