Brevet FR2916667A1 — publié le 20081205

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE AUBE OU D'UNE PALE DE MACHINE HYDRAULIQUE, AUBE OU PALE OBTENUE PAR CE PROCEDE L'invention a trait à un procédé de fabrication d'une aube ou d'une pale de machine hydraulique. Elle concerne plus particulièrement la fabrication d'une aube de roue de turbine Francis ou de turbine-pompe, ou d'une pale de turbine dite Kaplan ou d'une turbine de type bulbe . Au sens de la présente invention, une machine hydraulique est une machine qui interagit avec un écoulement d'eau pour convertir de l'énergie. Il peut s'agir d'une turbine, d'une pompe ou d'une turbine-pompe. Il est connu de fabriquer les aubes d'une turbine Francis par moulage de métal. Une telle opération est complexe et requiert une main d'oeuvre très compétente compte tenu de la taille des pièces à mouler. Or, les fonderies susceptibles de réaliser des pièces de grandes dimensions sont peu nombreuses et ont une surcharge de travail importante, ce qui induit des problèmes de délai et de qualité de fabrication et, par voie de conséquence, l'augmentation des prix de revient des roues de turbine. Pour pallier cet inconvénient, il est connu, par exemple de FR-A-2 052 248, de former des aubes creuses pour une roue de turbine Francis. Le profil de ces aubes ne peut pas être réalisé de façon précise et leur mode de fabrication n'est pas compatible avec une finition usinée employant un logiciel d'usinage de Conception Assistée par Ordinateur (CAO). Une autre solution pourrait consister à usiner une aube dans une tôle métallique épaisse conformée par matriçage. Ceci revient à perdre en copeaux une proportion importante de la matière constitutive de la tôle, jusqu'à plus de 50%, ce qui ne peut pas être mis en oeuvre industriellement pour des aubes de grandes dimensions, sauf à induire des coûts de fabrication exorbitants. Des problèmes analogues se posent pour la fabrication d'aubes de turbines autres que les turbines Francis et pour la fabrication de pales, notamment pour des turbines Kaplan ou de type bulbe . C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un nouveau procédé de fabrication qui permet de réaliser des aubes ou des pales de dimensions relativement importantes, sans gaspillage important de matière et sans avoir recours à un procédé de moulage de l'ensemble de l'aube ou de la pale. A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une aube ou d'une pale de machine hydraulique qui comprend des étapes successives dans lesquelles : a) û on assemble par soudage au moins deux tôles d'épaisseurs 10 différentes ; c) û on met en forme l'assemblage des tôle réalisé à l'étape a) ; et d) û on enlève de la matière par usinage de l'assemblage de tôles. 15 Au sens de l'invention, une tôle est une plaque de métal obtenue par laminage, dont les grandes surfaces latérales sont réglées et, le plus souvent, planes. En pratique, une tôle est d'épaisseur constante. Le fait d'utiliser des tôles d'épaisseurs différentes pour constituer l'assemblage réalisé à l'étape a) induit que, lors de l'étape d), la quantité de matière à 20 enlever par usinage peut être minimisée, dans la mesure où les différentes épaisseurs de tôle peuvent être choisies en fonction de l'épaisseur finale de l'aube ou de la pale dans la zone constituée par chaque tôle. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel procédé peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques 25 suivantes : - Il est prévu une étape b), préalable aux étapes c), d) dans laquelle on découpe une ébauche de l'aube ou de la pale dans les tôles. Cette étape de découpe permet de limiter la quantité de matière enlevée par usinage lors de l'étape d). 30 - L'étape b) peut suivre l'étape a) et la découpe de l'ébauche a lieu, de façon unitaire, dans l'assemblage des tôles. En variante, l'étape b) précède l'étape a) et la découpe de l'ébauche a lieu par parties, dans les tôles, celles-ci étant ensuite assemblées lors de l'étape a) en constituant l'ébauche. - Il est prévu une étape e) postérieure à l'étape a) dans laquelle on ajoute à l'assemblage de tôles une tôle complémentaire, en ménageant un volume creux entre cette tôle complémentaire et une partie de l'assemblage réalisée à l'étape a). - En variante, lors de l'étape a), deux tôles peuvent être soudées aux autres en ménageant entre elles un volume creux. - Il est prévu une étape f) postérieure aux étapes a) et b) dans laquelle on dispose sur l'assemblage de tôles formé à l'étape a) au moins une bande de rechargement qui augmente localement l'épaisseur de l'assemblage. - Lors de l'étape a), la ou les tôles les plus épaisses est ou sont disposée(s) du côté de l'assemblage destiné à former le bord d'attaque de l'aube. L'invention concerne également une aube ou une pale de machine hydraulique fabriquée selon un procédé tel que mentionné ci-dessus à partir de tôles en acier. L'acier utilisé peut être un acier à base de carbone, ou acier doux, ou un acier inox, fortement ou faiblement allié. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de six modes de réalisation d'un procédé conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'une aube de turbine Francis lors d'une première étape de fabrication ; - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 lors d'une deuxième étape de fabrication ; - la figure 3 est une section selon la ligne III-III à la figure 2, lors d'une troisième étape de fabrication ; - la figure 4 est une section analogue à la figure 3 au terme du procédé de fabrication ; -la figure 5 est une vue analogue à la figure 2 pour un procédé conforme à un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est une section analogue à la figure 3 pour un procédé conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 est une section analogue à la figure 6 lors d'une étape ultérieure de ce procédé ; - la figure 8 est une section analogue à la figure 7 pour un procédé conforme à un quatrième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 9 est une section analogue à la figure 3 pour un procédé conforme à un cinquième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 10 est une section analogue à la figure 3 pour un procédé conforme à un sixième mode de réalisation de l'invention. Aux figures 1 à 4 sont représentées quatre étapes de fabrication d'une aube 1 de turbine Francis. Cette aube est réalisée par l'assemblage de trois tôles 11, 12 et 13 dont on note respectivement e11, e12 et e13 les épaisseurs respectives. L'épaisseur e11 a une valeur supérieure à celle de l'épaisseur e12 qui a elle-même une valeur supérieure à celle de l'épaisseur e13. On note respectivement 11A, 11B, 12A, 12B, 13A et 13B les grandes faces latérales des tôles 11, 12 et 13. Les faces 11A et 11B sont planes et parallèles. De même en est-il pour les faces 12A et 12B, d'une part, 13A et 13B, d'autre part. Ces faces sont planes. Lors de l'étape du procédé représenté à la figure 1, les tôles 11, 12 et 13 sont soudées ensemble, ce que représentent les zones de soudure 15 à la jonction entre les tôles 11 et 12. La tôle 13 est déplacée dans le sens de la flèche F1 jusqu'à venir en appui contre la tranche 121 de la tôle 12, à laquelle elle est alors soudée, ce que représentent les zones de soudure 15' à la figure 2. Les zones de soudure 15 et 15' visibles sur les figures 1 à 4 sont représentés à titre illustratif. En pratique, la soudure entre les tôles 11, 12 et 13 peut avoir lieu à coeur ou avec pénétration partielle. Après soudage des tôles 11, 12 et 13 ensemble, on obtient donc un assemblage A de trois tôles, cet assemblage A pouvant être manipulé de façon unitaire et ayant une épaisseur décroissante, de la valeur eu sur la droite de la figure 2 à la valeur e13 sur la gauche de cette figure. On procède alors au découpage d'une ébauche E globalement à la forme de l'aube 1. En pratique, l'ébauche E peut être découpée par oxycoupage, par torche à plasma, par découpe laser ou au jet d'eau. D'autres techniques peuvent être utilisées à cette fin. Si aucune découpe de l'assemblage A est nécessaire, cet assemblage constitue l'ébauche E dès la fin du soudage des tôles. Selon une variante de l'invention, l'ébauche E peut être réalisée par parties dans les tôles 11, 12 et 13 avant que celles-ci soient soudées ensemble pour constituer l'assemblage A. Une fois l'ébauche E constituée, l'assemblage A est soumis à un effort de mise en forme ou effort de formage, ce que représentent les flèches F2 et F3 à la figure 3, ceci afin de conformer l'assemblage A en fonction de la géométrie recherchée pour l'aube 1, notamment sa courbure. Après application de l'effort de formage F2 + F3, les faces 11A, 11B, 12A, 12B, 13A et 13B ne sont plus planes, comme le montre la figure 3. Postérieurement à cette mise en forme, on usine l'assemblage A à la forme souhaitée pour l'aube 1, ce que représente la différence entre la zone en traits pleins et la trace en traits pointillés de l'assemblage A à la figure 4. Cet usinage est réalisé par une machine à commande numérique qui est avantageusement pilotée en fonction de la géométrie définie pour l'aube 1 à partir d'un logiciel de CAO. La quantité de matière à enlever par usinage, pour passer de la configuration de la figure 3 à celle de la figure 4, est relativement minime compte tenu du fait que les épaisseurs e11, e12, e13 des tôles 11, 12 et 13 peuvent être choisies en fonction de la forme recherchée pour l'aube 1 au terme de sa fabrication. En d'autres termes, la matière à retirer par usinage pour passer de la configuration de la figure 3 à celle de la figure 4 est relativement peu volumineuse, notamment par rapport au cas où l'assemblage A aurait eu une épaisseur constante sur sa longueur, c'est-à-dire parallèlement à son axe longitudinal XA. Selon une variante de l'invention, l'étape de mise en forme de l'assemblage A peut suivre l'étape d'enlèvement de matière par usinage. En d'autres termes, l'ordre des étapes c) et d) mentionnées ci-dessus peut être inversé. Sur les figures 1 à 4, l'assemblage A est symétrique par rapport à son axe longitudinal X,a. Ceci n'est pas obligatoire et, en fonction de la géométrie de l'aube 1 à fabriquer, cet assemblage peut être dissymétrique. Dans les deuxième à sixième modes de réalisation représentés aux figures 5 à 8, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques. Dans le deuxième mode de réalisation, un assemblage A est réalisé par soudage de trois tôles 11, 12 et 13 d'épaisseurs e11, e12 et e13 décroissantes. En tenant compte d'une surépaisseur localisée de l'aube à réaliser, dans une zone Z1 prédéterminée, deux bandes de rechargement 16 sont rapportées sur les grandes faces latérales 11A et 11B de la tôle 11, ce qui permet d'obtenir une épaisseur relativement importante ezi de l'assemblage A dans la zone Z1, sans que l'épaisseur e11 ne soit trop importante. Ceci permet d'optimiser encore la quantité de métal à retirer par usinage après la mise en forme de l'assemblage A, selon une approche analogue à celle représentée aux figures 3 et 4 pour le premier mode de réalisation. Dans l'exemple représenté, les bandes de rechargement sont formées par deux plaques 16 soudées sur les faces 11A et 11B. Ces bandes de rechargement peuvent également être formées d'une couche de métal déposée par soudage. Dans les deux modes de réalisation décrits ci-dessus la tôle la plus épaisse 11 est disposée du côté de l'assemblage A destiné à former le bord d'attaque 1A de l'aube 1. En fait, l'épaisseur des tôles 11 à 13 est décroissante de la zone destinée à constituer le bord d'attaque 1A vers la zone destinée à constituer le bord de fuite 1B de l'aube. Dans le troisième mode de réalisation représenté aux figures 6 et 7, trois tôles 11, 12 et 13 sont assemblées, la tôle 12 ayant une épaisseur e12 supérieure aux épaisseurs e12 et e13 des tôles 11 et 12. Une fois l'assemblage A mis en forme par un effort de formage représenté par les flèches F2 et F3 à la figure 6, une tôle complémentaire 18 est rapportée sur l'assemblage A en y étant soudée, tout en ménageant un volume creux V1, comme représenté à la figure 7. Ensuite, on usine l'assemblage A pour obtenir la forme définitive de 5 l'aube 1, selon une approche analogue à celle mentionnée en référence à la figure 4. Comme représenté à la figure 8, deux tôles 11 et 12, d'épaisseurs e11 et e12 différentes, peuvent être assemblées pour former un assemblage A, alors qu'une tôle complémentaire 18 est rapportée sur la seule tôle 11 en 10 ménageant un volume creux V1. Comme représenté à la figure 9, quatre tôles peuvent être utilisées, à savoir une tôle 11 destinée à constituer le bord d'attaque de l'aube, une tôle 13 destinée à constituer la partie arrière et le bord de fuite de l'aube et deux tôles 12 et 12' soudées sur les tôles 11 et 12 et définissant entre elles un 15 volume creux V1. Les tôles 11, 12, 12' et 13 ont des épaisseurs e11, e12, e12, et e13 qui sont différentes les unes des autres, les épaisseurs e12 et e12, pouvant ou non être égales. Comme représenté à la figure 10, deux tôles 11 et 13 d'épaisseurs 20 e11 et e12 relativement importantes peuvent être utilisées pour former la partie centrale et la partie arrière d'une aube, alors que deux tôles 12 et 12' d'épaisseurs e12 et e12 moins importantes sont réunies ensemble pour former la partie avant de l'aube. Un renfort 19 peut être logé dans un volume creux V1 défini entre les tôles 13 et 13'. 25 Dans les modes de réalisation des figures 6 à 8, les tôles 11, 12 et 13 sont planes avant leur mise en forme par les efforts F2 et F3, alors que la tôle 18 peut avoir été conformée à part, par une opération de matriçage. Dans les procédés représentés aux figures 9 à 10, certaines des tôles, à savoir les tôles 12 et 12', sont conformées en étant gauches avant réalisation de 30 l'assemblage A, en fonction de la géométrie recherchée pour l'aube 1. Dans les exemples représentés, les tôles 11 à 13 utilisées sont planes avant leur formage par l'effort F2 et F3. Toutefois, ces tôles peuvent également avoir des surfaces réglées non planes avant formage, de telle sorte qu'elles peuvent être mise en forme relativement facilement. En variante, en plus des tôles utilisées pour former l'assemblage A, des blocs ou bandes de métal obtenus par moulage ou forgeage peuvent être utilisés pour compléter cet assemblage, auquel cas ces blocs ou bandes peuvent avoir des surfaces latérales non réglées avant l'opération de formage. Tel est le cas dans le mode de réalisation de la figure 9 où la tôle 11 peut être remplacée par un barreau forgé. Dans ce cas, on forme un assemblage A conformément à l'invention en soudant ensemble les tôles 12 et 13, puis on le complète avec le barreau forgé, avant de mettre en forme l'assemblage équipé du barreau. comme mentionné ci-dessus. Dans tous les cas, après l'opération de mise en forme par l'effort représenté par les flèches F2 et F3, les surfaces latérales des tôles peuvent avoir toute forme adaptée à la géométrie recherchée pour l'aube 1. Selon une variante applicable à tous les procédés de l'invention, une étape d'usinage des tôles 11, 12, 12' et 13' préalable à la formation de l'assemblage A peut être prévue, en tenant compte de la géométrie recherchée pour l'aube à réaliser. Quel que soit le mode de réalisation, l'effort de formage F2 + F3 est, de préférence, appliqué sur l'assemblage A par emboutissage ou matriçage. Les tôles 11, 12, 12', 13 et 18 sont réalisées en acier, de préférence en acier inoxydable. L'acier inoxydable peut être faiblement allié par exemple de type S420 NL selon la norme NF EN 10 113. II peut également être fortement allié, par exemple de type X3 CrNiMo 13-4 selon la norme EN 10 088-2. En variante, certaines de ces tôles, voire toutes ces tôles, peuvent être en acier doux, c'est-à-dire en acier à base de carbone, par exemple de type S275JO selon la norme NF EN 10 025. L'invention a été représentée dans le cas de la fabrication d'une aube de roue de turbine Francis. Elle est toutefois applicable à la fabrication d'aubes d'autres roues de turbine, notamment d'aubes de turbine-pompe. L'invention peut également être appliquée à la fabrication de pales de turbines dites Kaplan ou de turbine de type bulbe . Les caractéristiques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés dans la description peuvent être combinées entre elles, selon toute combinaison techniquement admissible, dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une aube (1) ou d'une pale de machine hydraulique, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes successives dans 5 lesquelles : a) û on assemble par soudage au moins deux tôles (11, 12, 12', 13) d'épaisseurs différentes (e11, e12, e12', e13) c) û on met en forme (F2, F3) l'assemblage (A) de tôles (11, 12, 12', 13) réalisé à l'étape a) et 10 d) û on enlève de la matière par usinage de l'assemblage de tôles (A). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape b) préalable aux étapes c) et d) dans laquelle : b) - on découpe une ébauche (E) de l'aube (1) ou de la pale 15 dans les tôles (11, 12, 13). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape b) suit l'étape a) et la découpe de l'ébauche (E) a lieu de façon unitaire, dans l'assemblage de tôles (A). 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape b) 20 précède l'étape a) et la découpe de l'ébauche a lieu par parties, dans les tôles (11, 12, 13), celles-ci étant ensuite assemblées lors de l'étape a) en constituant l'ébauche (E). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape e) postérieure à l'étape a) dans laquelle : 25 e) - on ajoute à l'assemblage de tôles (A) formé lors de l'étape a) une tôle complémentaire (18), en ménageant un volume creux (V1) entre cette tôle complémentaire et une partie (11, 12) de cet assemblage. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce 30 que lors de l'étape a) deux tôles (12, 12') sont soudées aux autres tôles (11, 13) en ménageant entre elles un volume creux (V1). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une étape f) postérieure aux étapes a) et b) dans laquelle :f) -on dispose sur l'assemblage de tôles formé à l'étape a) au moins une bande de rechargement (16) qui augmente localernent l'épaisseur (ezi) de l'assemblage (A). 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de l'étape a), la ou les tôles les plus épaisses (11) est ou sont disposées du côté de l'assemblage (A) destiné à former le bord d'attaque (1A) de l'aube. 9. Aube (1) ou pale de machine hydraulique, caractérisée en ce qu'elle est fabriquée selon un procédé conforme à l'une des revendications précédentes et en ce que les tôles (11, 12, 12', 13, 18) sont en acier.