Brevet FR2859496A1 — publié le 20050311

Pale de ventilateur renforcée et procédé de fabrication d'une telle pale. Contexte de l'invention L'invention concerne des pales de ventilateur et en particulier des pales de ventilateur renforcées par un composite en fibres à allongement élevé. Les pales de ventilateur utilisées dans les applications de turboréacteurs sont sensibles aux dégâts dus aux impacts d'objets étrangers, tels que des cas d'ingestion d'oiseaux. Les pales faites d'un matériau composite graphite renforcé de fibres sont attirantes en raison de leur force et de leur raideur spécifiques d'ensemble élevées. Cependant, les composites graphites sont particulièrement sujets à la rupture fragile et au délaminage lors d'impacts avec des objets étrangers en raison de leur faible ductilité. Les bords d'attaque, les bords de fuite et les pointes des pales sont particulièrement sensibles à cause de l'épaisseur habituellement plus faible dans ces zones et de la prédisposition bien connue des composites stratifiés au délaminage des bords libres. De plus, la géométrie de la pale et les vitesses de rotation élevées par rapport aux vitesses des avions amènent les objets ingérés à frapper la pale près du bord d'attaque. Le matériau près des surfaces d'aspiration et de pression du composite est très sujet à se fissurer en raison des déformations locales de pliage typiquement associées à de tels cas. Des carters métalliques liés à la pale composite sont connus pour fournir une protection contre les dégâts d'impacts. Cependant, la densité élevée de ces matériaux limitent leur utilisation. De plus, les pales peuvent être renforcées en augmentant l'épaisseur du profil aérodynamique soit localement soit sur une large zone. L'épaississement de la pale résulte dans une pénalité aérodynamique ainsi que dans une pénalité de poids. Brève description de l'invention Un aspect de l'invention est une pale de ventilateur comprenant une pluralité de couches composites en fibres et au moins une bande composite en fibres à allongement élevé rejoignant l'une desdites couches composites en fibres au niveau d'un joint. Un autre aspect de l'invention est un procédé de formation d'une pale de ventilateur. Un procédé de fabrication d'une pale de ventilateur comprend la jonction d'une pluralité de couches composites en fibres et la jonction d'au moins une bande composite en fibres à allongement élevé à une couche de la pluralité de couches composites en fibres. Une extrémité de la bande composite en fibres à allongement élevé rencontre une extrémité de la couche composite en fibres au niveau d'un joint. Brève description des dessins En se référant aux dessins explicatifs sur lesquels les mêmes éléments ont les mêmes numéros sur les différentes figures: La figure 1 est un exemple de pale de ventilateur; Les figures 2 et 3 sont des vues en coupe d'un bord d'attaque d'une pale de ventilateur dans un mode de réalisation de l'invention; La figure 4 est une vue en coupe d'un bord d'attaque d'une pale de ventilateur dans un autre mode de réalisation de l'invention; La figure 5 est une vue en coupe d'un bord d'attaque d'une pale de ventilateur dans un autre mode de réalisation de l'invention; La figure 6 est une vue en coupe d'un bord d'attaque d'une pale de ventilateur dans un autre mode de réalisation de l'invention; Les figures 7 à 10 sont des vues en coupe de pales de ventilateur représentant le placement de renforcement dans des modes de réalisation de l'invention; La figure 11 est une vue en coupe d'un bord d'attaque d'une pale de ventilateur dans un autre mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de l'invention Des modes de réalisation de l'invention concernent des pales de ventilateur composites en fibres renforcées. De telles pales de ventilateur peuvent être utilisées dans une variété d'applications comprenant les turboréacteurs, les turbines, etc. Le composite en fibres peut être un matériau ayant tout filament en fibres (métallique ou non métallique) incorporé dans tout liant de matrice (métallique ou non métallique). Dans un mode de réalisation de l'invention, la majorité de la pale de ventilateur est une superposition de stratifications distinctes composites en fibres. Dans un exemple de mode de réalisation, le composite en fibres est composé de filaments graphites en fibres incorporés dans un liant de matrice époxy (par exemple, résine époxy), la couche composite résultante ayant un module élastique compris entre 124, 110 mégapascals (MPa) et 165,480 mégapascals (MPa) et un allongement à la traction compris entre 1,3 % et 1,5 %, les deux étant mesurés parallèlement aux fibres. D'autres choix pour la résine de la matrice comprennent, mais sans que ce soit limitatif, du bismaléimide, du polyimide, du polyétherimide, du polyétheréthercétone, du poly(aryl sulfone), du polyéthersulfone et d'ester de cyanate et des combinaisons de ceux-ci. Dans un mode de réalisation, le liant de matrice comprend des matériaux de renforcement tels que des particules de caoutchouc. Les pales de ventilateur composites en fibres sont renforcées par un composite en fibres à allongement élevé. Dans un mode de réalisation, le module du composite en fibres à allongement élevé peut être compris entre environ 13,790 Mpa et environ 96,530 MPa et est de préférence compris entre environ 41,370 Mpa et environ 62,055 Mpa. L'allongement à la traction du composite en fibres à allongement élevé doit être d'au moins environ 1,75 % et est de préférence d'au moins environ 3 %. Des exemples de composites en fibres à allongement élevé comprennent du verre S, de l'aramide, de polyéthylène à chaîne étirée et du poly(p-phénylène benzobisoxazole) (PBO). La figure 1 est une vue en perspective d'une pale de ventilateur 10 dans un mode de réalisation de l'invention. La pale de ventilateur 10 comporte un bord d'attaque 12 et un bord de fuite 14. La pale de ventilateur comporte également un premier côté 16 et un second côté 18 qui s'étendent entre le bord d'attaque et le bord de fuite. Des composants supplémentaires tels que des carters ou revêtements peuvent être appliqués au premier et second côtés 16 et 18 comme décrit plus en détail avec référence à la figure 11. Comme connu dans l'art, la majorité de la pale de ventilateur 10 est faite à partir de couches composites en fibres (par exemples, des couches en fibres de carbone) s'étendant entre le bord d'attaque 12 et le bord de fuite 14. Les couches composites en fibres s'étendent dans le sens de la corde du bord d'attaque 12 eu bord de fuite 14 et dans le sens de l'envergure d'une emplanture 11 à une pointe 13. La pale de ventilateur 10 est renforcée par des bandes composites en fibres à allongement élevé dans des zones sujettes aux dégâts. Typiquement, celles-ci sont les bords d'attaque et les bords de fuite des pales et sont réparties vers les surfaces de pression et d'aspiration de la pale. Les bandes composites en fibres à allongement élevé permettent à la pale de ventilateur 10 de se déformer considérablement avant l'échec et cela résulte également dans la répartition de la charge sur une grand zone, rendant les dégâts locaux moins probables. La figure 2 est une vue en coupe d'un bord d'attaque 12 d'une pale de ventilateur 10. Un certain nombre de bandes composites en fibres à allongement élevé 20, 22 et 24 sont utilisées pour renforcer le bord d'attaque. Les bandes s'étendent du bord d'attaque 12 vers le bord de fuite 14 et s'étendent vers l'intérieur depuis les surfaces extérieures des côtés 16 et 18. Une section 26 de la fibre composite est laissée exposée au niveau du bord d'attaque 12. Les bandes composites en fibres à allongement élevé ont des fibres agencées dans différentes orientations. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 20 ont des fibres orientées dans une direction parallèle à la direction dans le sens de l'envergure de la pale 10. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 22 ont des fibres orientées dans une direction de 45 degrés par rapport à la direction dans le sens de l'envergure de la pale 10. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 24 ont des fibres orientées dans une direction de -45 degrés par rapport à la direction dans le sens de l'envergure de la pale 10. La figure 3 illustre des couches composites en fibres 30 par rapport aux bandes composites en fibres à allongement élevé 20, 22 et 24. Les extrémités des bandes composites en fibres à allongement élevé 20, 22 et 24 éloignées du bord d'attaque 12 sont décalées. C'est-à-dire, la longueur de chaque bande composite en fibres à allongement élevé diminue lorsque la position par rapport à la surface des côtés 16 et 18 augmente. Dans un mode de réalisation, la différence d de la longueur entre les bandes composites en fibres à allongement élevé adjacentes est d'au moins environ 0,1 pouce. En variante, la différence d peut s'exprimer comme une fonction de l'épaisseur de la bande et dans un mode de réalisation, est d'au moins 15 fois l'épaisseur de la bande. Cela effile les bandes composites en fibres à allongement élevé de sorte que la région conforme soit plus longue près des surfaces de pression et d'aspiration que dans le milieu de la pale de ventilateur. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 20, 22 et 24 rencontrent les couches composites en fibres 30 au niveau d'un joint. Le joint peut être un joint bout à bout ou un petit chevauchement. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 20,22 et 24 peuvent être incorporées dans la pale 10 pendant le processus de superposition dans lequel les couches de composite en fibres et composite en fibres à allongement élevé sont liées ou séchées conjointement de manière adhésive. La pale de ventilateur 10 est construite de l'intérieur vers l'extérieur vers le premier côté 16 et le second côté 18. Les couches composites en fibres 30 sont jointes en utilisant des techniques telles que des adhésifs ou le séchage conjoint. Une fois que les endroits de renforcement ont été atteints, des bandes de composite en fibres à allongement élevé sont jointes aux couches de composite en fibres en utilisant des techniques telles que des adhésifs ou le séchage conjoint. La figure 4 est une vue en coupe d'un bord d'attaque 12 d'une pale de ventilateur 10 dans un autre mode de réalisation. Dans le mode de réalisation de la figure 4, les bandes composites en fibres à allongement élevé 20, 22 et 24 s'enroulent autour du bord d'attaque 12 pour recouvrir le bord d'attaque. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 20 ont des fibres orientées dans une direction parallèle à la direction dans le sens de l'envergure de la pale 10. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 22 ont des fibres orientées dans une direction de 45 degrés par rapport à la direction dans le sens de l'envergure de la pale 10. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 24 ont des fibres orientées dans une direction de -45 degrés par rapport à la direction dans le sens de l'envergure de la pale 10. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 20, 22 et 24 rencontrent les couches composites en fibres au niveau d'un joint comme décrit ci-dessus avec référence à la figure 3. La figure 5 est une vue en coupe d'un bord d'attaque 12 d'une pale de ventilateur 10 dans un autre mode de réalisation. Dans le mode de réalisation de la figure 5, les extrémités des bandes composites en fibres à allongement élevé 20, 22 et 24 sont décalées de sorte que les bandes composites en fibres à allongement élevé adjacentes puissent avoir différentes longueurs, mais les longueurs ne diminuent pas lorsque la position de la surface des côtés 16 et 18 augmente. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 20 ont des fibres orientées dans une direction parallèle à la direction dans le sens de l'envergure de la pale 10. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 22 ont des fibres orientées dans une direction de 45 degrés par rapport à la direction dans le sens de l'envergure de la pale 10. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 24 ont des fibres orientées dans une direction de -45 degrés par rapport à la direction dans le sens de l'envergure de la pale 10. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 20, 22 et 24 rencontrent les couches composites en fibres au niveau d'un joint comme décrit ci-dessus avec référence à la figure 3. La figure 6 est une vue en coupe d'un bord d'attaque 12 d'une pale de ventilateur 10 dans un autre mode de réalisation. Le mode de réalisation de la figure 6 est similaire à celui de la figure 5, mais seules les extrémités des couches composites en fibres sélectionnées sont remplacées par des bandes composites en fibres à allongement élevé 22. Ainsi, une couche composite en fibres est interposée entre les bandes composites en fibres à allongement élevé 22 plutôt que les bandes composites en fibres à allongement élevé contiguës des figures 2 à 5. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 22 ont des fibres orientées dans une direction de 45 degrés par rapport à la direction dans le sens de l'envergure de la pale 10. Les bandes composites en fibres à allongement élevé 22 rencontrent les couches composites en fibres au niveau d'un joint comme décrit ci-dessus avec référence à la figure 3. Les figures 7 à 10 sont des vues en coupe d'une pale de ventilateur 10 représentant différentes positions pour les bandes composites en fibres à allongement élevé. La figure 7 représente les bandes composites en fibres à allongement élevé au niveau du bord d'attaque 12 de la pale de ventilateur 10. La figure 8 représente les bandes composites en fibres à allongement élevé au niveau du bord d'attaque 12 et du bord de fuite 14 d'une pale 10. La figure 9 représente les bandes composites en fibres à allongement élevé au niveau du bord de fuite 14 de la pale de ventilateur 10. La figure 10 représente les bandes composites en fibres à allongement élevé sur toute la surface de la pale de ventilateur 10. L'épaisseur des bandes composites en fibres à allongement élevé peut varier sur la surface de la pale de ventilateur. La figure 11 est une vue en coupe d'un bord d'attaque 12 d'une pale de ventilateur dans une autre mode de réalisation de l'invention. Comme illustré sur la figure 1l, la pale 10 comprend un renforcement 30 qui est un carter métallique fixé sur le bord d'attaque. Il est entendu que le renforcement 30 peut être positionné sur un ou plusieurs éléments parmi le bord d'attaque, le bord de fuite et la pointe et peut être fait à partir de matériaux autres que le métal. De plus, un revêtement 32 est illustré sur la première surface 16, mais peut être appliqué sur l'une ou les deux des première surface 16 et seconde surface 18. Le revêtement 32 peut être un revêtement de protection contre l'érosion, une peinture, etc. Dans un exemple de mode de réalisation, le même système de résine est utilisé pour la couche composite en fibres et les bandes composites en fibres à allongement élevé. La microstructure en résine peut être ajustée pour produire une résistance à la fracture plus élevée au niveau du joint entre une bande composite en fibres à allongement élevé et une couche composite en fibres. Un matériau d'amortissement élevé peut être utilisé soit comme résine, soit comme couche intermédiaire entre les couches composites en fibres. De plus, des configurations de couches ondulant ou inclinées peuvent être utilisées pour augmenter l'amortissement. La combinaison de bandes composites en fibres à allongement élevé utilisées conjointement avec des couches composites en fibres fournit une intégrité mécanique améliorée. Ce système de matériau hybridé augmente la résistance à la fracture interlaminaire par rapport aux systèmes de matériau unique. Les bandes composites en fibres à allongement élevé sont légères par rapport aux bords d'attaque métalliques, ce qui fournit une épaisseur de profil aérodynamique réduite résultant dans de meilleures performances aérodynamiques et une résistance améliorée aux dégâts d'objets étrangers. Si l'invention a été décrite avec référence à un mode de réalisation, il sera entendu pour l'homme du métier que divers changements peuvent être faits et que des équivalents peuvent remplacer les éléments de celle-ci sans s'éloigner de la portée de l'invention. De plus, de nombreuses modifications peuvent être faites pour adapter une situation ou à un matériau particulier aux enseignements de l'invention sans s'éloigner de la portée essentielle de celle-ci. Par conséquent, l'invention n'est pas prévue pour se limiter à un mode de réalisation particulier décrit comme le meilleur mode envisagé pour réaliser l'invention, mais l'invention comprendra tous les modes de réalisation tombant dans la portée des revendications annexées. LISTE DES PIECES Pale de ventilateur 10 Emplanture 11 Bord d'attaque 12 Pointe 13 Bord de fuite 14 Première surface 16 Seconde surface 18 Bandes en fibres à allongement élevé 20, 22, 24 Section 26 Couches composites en fibres 30 Revêtement 32 REVENDICATIONS 1. Pale de ventilateur caractérisée en ce qu'elle comprend: une pluralité de couches composites en fibres (30) ; au moins une bande composite en fibres à allongement élevé (20, 22, 24) rejoignant l'une desdites couches composites en fibres au niveau d'un joint. 2. Pale de ventilateur selon la revendication 1 dans laquelle: le module de ladite bandé composite en fibres à allongement élevé (20, 22, 24) est compris entre environ 13,790 Mpa et environ 96,530 Mpa. 3. Pale de ventilateur selon la revendication 2 dans laquelle: le module de ladite bande composite en fibres à allongement élevé (20, 22, 24) est compris entre environ 41,370 Mpa et environ 62,055 Mpa. 4. Pale de ventilateur selon la revendication 1 dans laquelle: l'allongement à la traction de ladite bande composite en fibres à allongement élevé (20, 22, 24) est au moins d'environ 1,75 %. 5. Pale de ventilateur selon la revendication 4 dans laquelle: l'allongement à la traction de ladite bande composite en fibres à allongement élevé (20, 22, 24) est au moins d'environ 3 %. 6. Pale de ventilateur selon la revendication 1 dans laquelle: ladite bande composite en fibres à allongement élevé comprend une pluralité de bandes composites en fibres à allongement élevé comprenant une première bande composite en fibres à allongement élevé (22) ayant des fibres orientées dans une première direction et une deuxième bande composite en fibres à allongement élevé (20) ayant des fibres orientées dans une deuxième direction différente de ladite première direction. 7. Pale de ventilateur selon la revendication 6 dans laquelle: ladite première direction forme un angle de 45 degrés par rapport à ladite direction dans le sens de l'envergure de ladite pale de ventilateur. 8. Pale de ventilateur selon la revendication 7 dans laquelle: ladite deuxième direction est parallèle à une direction dans le sens de l'envergure de ladite pale de ventilateur. 9. Pale de ventilateur selon la revendication 6 dans laquelle: lesdites bandes composites en fibres à allongement élevé comprennent une troisième bande composite en fibres à allongement élevé (24) ayant des fibres orientées dans une troisième direction différente de ladite première direction et de ladite deuxième direction. 10. Pale de ventilateur selon la revendication 9 dans laquelle: ladite première direction forme un angle de 45 degrés par rapport à une direction dans le sens de l'envergure de ladite pale de ventilateur; ladite deuxième direction est parallèle à ladite direction dans le sens de l'envergure de ladite pale de ventilateur; et ladite troisième direction forme un angle de -45 degrés par rapport à ladite direction dans le sens de l'envergure de ladite pale de ventilateur.