Brevet FR2980537A1 — publié le 20130329

AUBE POUR TURBOMACHINE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TELLE AUBE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une aube pour turbomachine qui est pourvue d'un système de dégivrage, ainsi qu'une turbomachine qui comporte une telle aube. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle aube. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEUR Les avions durant leurs missions vont rencontrer des conditions atmosphériques très diverses. Ces conditions sont différentes suivant les lieux géographiques rencontrés, les saisons, mais aussi de l'altitude de vol. Dans des conditions dites « givrantes », les turboréacteurs aspirent de l'air humide et froid qui va provoquer la formation de glace sur certains composants, et notamment sur les aubes du rotor, en particulier lorsqu'il s'agit d'un rotor non caréné. Une solution habituellement employée pour limiter l'accrétion de glace sur les aubes d'une turbomachine consiste généralement à placer un système chauffant à proximité du bord d'attaque de la pale, afin de faire fondre une couche très mince de glace à la surface de la pale, ce qui permet ensuite de supprimer le bloc de glace formé à la surface de la pale par centrifugation. Ce système chauffant est généralement actionné uniquement dans des conditions givrantes. Toutefois, ce système chauffant consomme une puissance électrique importante. En outre, il est difficile à mettre en place sur un rotor, puisque ce dernier est en rotation. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant une solution simple qui permette d'éviter l'accumulation de givre sur les aubes de turbomachine, et notamment sur les aubes d'un rotor non caréné. Un autre objet de l'invention est de proposer une solution qui permette d'éviter l'accumulation de givre sur les aubes de turbomachine sans toutefois augmenter la consommation électrique de la turbomachine. Un autre objet de l'invention est de proposer une solution qui permette de dégivrer les aubes mobiles de turbomachine sans complexifier la turbomachine ni l'alourdir. Pour ce faire, est proposé selon un premier aspect de l'invention, une aube pour turbomachine comportant un pied et une pale, la pale étant creusée par une cavité s apte à être parcourue par de l'air chaud, le pied étant traversé par une entrée d'air en communication fluidique avec la cavité, la pale comportant en outre au moins une sortie d'air en communication fluidique avec la cavité. Ainsi, l'invention propose d'intégrer dans la pale à dégivrer une cavité apte à être parcourue par un air chaud provenant de l'environnement moteur. Cette cavité 10 permet de maintenir une zone concernée par l'accrétion de glace de manière permanente à une température positive afin d'empêcher la formation de givre sur cette zone. L'invention permet donc d'avoir un dégivrage qui fonctionne sans source d'énergie extérieure. En effet, l'aube est traversée naturellement par un flux d'air chaud grâce à la présence de la cavité dans la pale, notamment grâce à la force 15 centrifuge lorsque l'aube est en rotation. En outre, le fait de creuser la pale avec une cavité permet de réaliser un gain de masse substantiel. En outre, le fait d'avoir une cavité dans la pale permet de pouvoir y faire passer de l'instrumentation, voire un circuit électrique pour un système auxiliaire de dégivrage, 20 une antenne microondes pour faire fondre la glace en surface, des thermocouples, des capteurs de vibrations... L'aube selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. 25 Selon un mode de réalisation, la cavité présente un volume supérieur à 10% du volume total de l'aube, de préférence inférieure à 30% du volume total de l'aube, ce qui permet à la surface extérieure de la pale d'être chauffée par conduction thermique par l'air chaud qui se trouve dans la cavité. De manière plus générale, la cavité est de préférence dimensionnée de façon à ce 30 que, lorsqu'elle est parcourue par de l'air chaud issu de la chambre de combustion, elle génère par conduction thermique une température supérieure à 0° le long d'une surface à dégivrer de la pale. Cette surface à dégivrer est de préférence une surface extérieure du bord d'attaque de la pale. Selon un mode de réalisation préférentiel, la pale comporte une seule cavité qui s occupe au moins 10% du volume de la pale, ce qui permet d'avoir une pale facile à réaliser. En outre, cela minimise le risque d'obstruction de la cavité. En outre, cela minimise le risque d'endommagement de la pale puisque la cavité peut être réalisée sans usinage a posteriori de l'aube. Toutefois, selon un autre mode de réalisation, la pale pourrait également comporter 10 plusieurs cavités de plus petite taille. Avantageusement, la sortie d'air est placée dans une zone en dépression de manière à maintenir naturellement un flux d'air constant à travers la cavité. Ainsi, un flux d'air à travers l'aube est maintenu. La sortie d'air est de préférence dimensionnée de manière à ce que le débit de fuite 15 soit adapté pour offrir une source de chaleur suffisamment importante pour chauffer la pale. Avantageusement, la pale comporte : un pied de pale relié au pied de l'aube ; un corps de pale dans lequel se trouve la cavité ; 20 - une tête de pale, le corps de pale étant situé entre le pied de pale et la tête de pale, la sortie d'air étant située dans la tête de pale. Ainsi, la sortie d'air est de préférence positionnée de façon à ce que l'air traverse l'aube naturellement par centrifugation lorsque l'aube est positionnée sur un rotor en rotation. En outre, cette disposition permet aux fluides, de type eaux de pluie par 25 exemple, de s'écouler à l'extérieur de la cavité par centrifugation. La sortie d'air et l'entrée d'air sont de préférence situées sensiblement de part et d'autre de la cavité. Avantageusement, la pale présente un bord d'attaque et un bord de fuite, la cavité étant décentrée dans la pale vers le bord d'attaque. En effet, il est préférable de ne pas avoir une paroi trop fine du côté du bord de fuite de la pale de façon à ne pas fragiliser la pale. En outre, la glace à tendance à se former sur le bord d'attaque de sorte qu'il est préférable d'avoir une paroi entre la surface intérieure de la cavité et la surface extérieure du bord d'attaque la plus fine possible de façon à ce qu'il y ait une bonne conduction thermique entre l'intérieur de la cavité et la surface extérieure du bord d'attaque. Selon différents modes de réalisation non exclusifs les uns des autres: - la cavité peut être remplie au moins partiellement de mousse (ou toute autre matière injectable), ce qui permet de renforcer localement la pièce (un tel remplissage permet notamment de répondre à des problématiques d'impact) ; - la cavité peut être vide, ce qui permet une bonne circulation de l'air à l'intérieur de la cavité. En outre, cela permet un allègement maximum de la pale ; - la cavité peut contenir des équipements électriques, comme par exemple un circuit électrique pour un système auxiliaire de dégivrage, une antenne microondes pour faire fondre la glace en surface, des thermocouples, des capteurs de vibrations... Selon un mode de réalisation, les parois de la cavité sont recouvertes d'une vessie étanche, ce qui permet d'éviter le contact avec l'humidité en cas d'intrusion d'eau à l'arrêt par exemple, ou de faire un isolant thermique dans le cas où la source d'air serait trop chaude en entrée. Selon un mode de réalisation préférentiel, la vessie est formée d'un élastomère. Toutefois, selon un autre mode de réalisation, la vessie pourrait également être formée d'un matériau métallique mis en forme par hydroformage. L'invention s'applique tout particulièrement dans le cas où l'aube est en matériau composite, et de préférence dans le cas où elle est réalisée dans un composite à matrice organique. Le composite dans lequel est réalisée l'aube comporte de préférence une résine qui résiste à des températures comprises entre -55°C et 160°C puisque l'air chaud qui circulera dans l'aube sera généralement à ces températures. Selon différents modes de réalisation : - l'aube peut être pourvue d'un système de régulation du débit d'air chaud parcourant la cavité, ce qui permet de contrôler le dégivrage de l'aube ; - l'aube peut être pourvue d'un système de renfort mécanique dans la cavité de façon à renforcer la résistance mécanique de l'aube en cas d'évènements violents, comme par exemple en cas d'intrusion dans la cavité d'un objet extérieur. Un deuxième aspect de l'invention concerne une turbomachine comportant un rotor pourvu d'au moins une aube selon le premier aspect de l'invention, la turbomachine étant en outre pourvue d'une source d'air chaud, l'entrée d'air de l'aube étant reliée à la source d'air chaud. Le rotor sur lequel sont fixées les aubes est de préférence situé en aval de la chambre de combustion de la turbomachine et traversé par de l'air chaud issu de la chambre de combustion. C'est cet air chaud qui traverse la cavité pour réchauffer l'aube. Le pied d'aube est de préférence une attache en forme de queue d'aronde qui est fixé dans une rainure du rotor. L'air chaud pénètre de préférence dans la cavité par la rainure située autour du pied en attache en forme de queue d'aronde. On notera que d'autres types d'attaches peuvent également être utilisés, par exemple une attache marteau ou une attache sapin. Un troisième aspect de l'invention concerne également un procédé de fabrication d'une aube selon le premier aspect de l'invention, qui comporte les étapes suivantes : - Une étape de réalisation d'une préforme fibreuse d'aube; - Une étape de déliage d'une partie de la préforme fibreuse de façon à réaliser une préforme de cavité dans la préforme fibreuse d'aube ; Une étape d'introduction d'une vessie dans la préforme de cavité ; Une étape de mise en forme de la vessie ; - Une étape d'injection d'une résine dans la préforme fibreuse ; Une étape de polymérisation. Lors de l'étape de déliage d'une partie de la préforme fibreuse, on diminue donc le nombre de couches de fibres à l'endroit où sera située la cavité. On introduit ensuite la vessie dans la préforme de cavité puis on place ensuite la préforme fibreuse dans le moule d'injection, puis on referme le moule d'injection. La vessie déformable est ensuite mise en forme de façon à donner à la cavité sa forme définitive. Selon un premier mode de réalisation, cette mise en forme de la vessie peut comporter une étape de gonflement de la vessie. Le gonflement de la vessie permet à la fois de compacter la préforme fibreuse entre la vessie et les parois du moule, et de générer la forme de la cavité. On injecte ensuite une résine dans la préforme fibreuse, puis on polymérise l'ensemble. L'aube pourvue de la cavité est ainsi réalisée sans usinage, ce qui permet d'avoir une aube solide malgré la présence de la cavité. Avantageusement, l'étape de gonflement de la vessie est réalisée en remplissant la vessie avec un fluide. Le fluide est ensuite évacué de la vessie après la polymérisation. La vessie reste alors en place dans la cavité de manière à rendre étanche les parois de la cavité. Toutefois, selon un autre mode de réalisation, la vessie pourrait également être 25 gonflée en la remplissant par une mousse auto-expansive. Dans ce cas, la mousse auto-expansive reste en place dans la cavité après la polymérisation. Ce premier mode de réalisation s'applique tout particulièrement dans le cas où la vessie est en élastomère. Selon un second mode de réalisation, cette mise en forme de la vessie peut comporter une étape d'hydroformage de la vessie. Ce second mode de réalisation s'applique tout particulièrement dans le cas où la vessie est métallique. BREVES DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : - La figure 1, une vue en perspective d'une turbomachine selon un mode de réalisation de l'invention ; - La figure 2, une vue en coupe d'un pied d'une aube selon un mode de réalisation de l'invention ; - La figure 3, une vue en coupe d'une pale de l'aube de la figure 2 ; - La figure 4, une vue de dessous de l'aube des figures 2 et 3 ; - La figure 5, une vue en coupe du pied d'aube de la figure 2 lorsque l'aube est en rotation ; - La figure 6, une vue en coupe du pied d'aube de la figure 2 lorsque l'aube est immobile ; - La figure 7, une vue en coupe du pied d'aube de la figure 2 lorsque l'aube est dirigée vers le centre de la terre, c'est-à-dire que la pale est disposée entre le pied de l'aube et le centre de la terre ; - La figure 8, une vue en coupe de l'aube de la figure 3 lors de sa fabrication ; - La figure 9, une vue de dessous de l'aube de la figure 3 ; - La figure 10, une vue en coupe d'une aube selon un autre mode de réalisation de l'invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de références identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION La figure 1 représente une turbomachine selon un mode de réalisation de l'invention. Cette turbomachine comporte une chambre de combustion 5. De l'air froid 6 entre dans cette turbomachine et de l'air chaud 7 ressort de cette turbomachine. Cette turbomachine comporte un rotor non caréné 1. Ce rotor non caréné 1 est également désigné par la dénomination anglo-saxonne « open rotor ». Ce rotor non caréné est disposé en aval de la chambre de combustion 5. Ce rotor non caréné 1 comporte un disque 2 sur lequel sont fixées des aubes 4. Le disque 2 est apte à être mis en rotation autour d'un axe de référence 3. Le rotor non caréné 1 est par exemple un compresseur d'une turbomachine. Une aube 4 est représentée plus précisément sur les figures 2 à 4. Cette aube 3 comporte un pied 8 et une pale 9. Le pied 8 est de préférence une attache en forme de queue d'aronde comme représenté schématiquement sur la figure 2, c'est-à-dire qu'il présente une base oblongue 10 se rétrécissant lorsque l'on se rapproche de la pale 9. Le pied 8 est inséré dans une rainure 11 du disque 2. Le pied 8 présente une surface supérieure 12 qui vient en appui contre les dents 13 de la rainure 11 lorsque le disque est en rotation, du fait des forces centrifuges. La géométrie du pied 8 est connue de l'homme du métier. La pale 9 comporte : un pied de pale 14 relié au pied 8 de l'aube ; un corps de pale 15; - une tête de pale 16, le corps de pale 15 étant situé entre le pied de pale 14 et la tête de pale 16. La pale 9 présente une forme aérodynamique connue de l'homme du métier. La pale 9 présente un bord d'attaque 17 et un bord de fuite 18. L'aube est de préférence réalisée dans un matériau composite comportant des fibres et une résine. L'aube comporte une cavité 19 creusée à l'intérieur de la pale. Cette cavité 19 est apte à être parcourue par de l'air chaud. Pour cela, la surface intérieure 20 de la cavité 19 est de préférence recouverte d'une vessie 21 imperméable à l'air et résistant à des températures comprises entre -55°C et 200°C. La cavité 19 occupe de préférence un volume supérieur à 10% du volume total de l'aube de façon à alléger la masse totale de l'aube et de façon à avoir une paroi 25 suffisamment fine entre la surface extérieure 24 du bord d'attaque 17 et la surface intérieure 20 de la cavité 19 pour que l'air chaud contenu dans la cavité empêche par conduction thermique à travers la paroi 25 la formation de givre sur la surface extérieure 24 du bord d'attaque 17. De manière plus générale, la cavité 19 est de préférence dimensionnée de façon à ce que, lorsqu'elle est parcourue par de l'air chaud issu de la chambre de combustion, elle génère une température supérieure à 0° le long du bord d'attaque. En outre, le fait d'avoir une cavité 19 aussi volumineuse permet d'éviter la stagnation des fluides dans la cavité, et donc cela permet d'avoir une bonne circulation de l'air chaud dans la cavité. Par ailleurs, la cavité 19 est de préférence décentrée en direction du bord d'attaque 17, de façon à ce qu'elle ne soit pas trop proche du bord de fuite 18 afin de ne pas fragiliser la structure à l'impact. Ainsi, la paroi 26 qui sépare la surface intérieure 20 de la cavité 19 de la surface extérieure 26 du bord de fuite est de préférence plus épaisse que la paroi 25 qui sépare la surface intérieure 20 de la cavité 19 de la surface extérieure 26 du bord d'attaque 17. L'aube comporte également au moins une entrée d'air 22 qui traverse le pied 8 et qui est en communication fluidique avec la cavité 19 de façon à l'alimenter en air chaud. Le pied 8 présente des risques de givrage, aussi il est avantageux d'alimenter la cavité 19 en air chaud par ce pied 8. L'aube comporte également au moins une sortie d'air 23 qui est de préférence située dans la tête d'aube 16 et qui est en communication fluidique avec la cavité 19 de façon à permettre l'évacuation de l'air chaud issu de la cavité 19. L'entrée d'air 22 d'une part et la sortie d'air d'autre part 23 sont de préférence situées de part et d'autre de la cavité 19 de façon à ce que l'air chaud circule naturellement, c'est-à- dire sans apport d'énergie, à travers la cavité 19, notamment lorsque le rotor est en rotation, sous l'effet de la force centrifuge. 2 98053 7 10 La ou les sorties d'air 23 est (sont) de préférence dimensionnée(s) de façon à ce que le débit de fuite soit maîtrisé : le diamètre de sortie est calculé de manière à ce que le débit d'air chaud ne soit pas trop important pour pénaliser le fonctionnement du moteur, et suffisamment important pour que le mouvement de l'air soit naturel. 5 La ou les sorties d'air 23 est (sont) de préférence placée(s) en zone de dépression, de façon à maintenir un flux d'air constant à travers la cavité 19. En outre, la ou les sorties d'air 23 est (sont) de préférence placée(s) dans la tête d'aube 16 de façon à permettre la centrifugation des fluides, comme par exemple des eaux de pluie, de façon à éviter que celles-ci ne s'accumulent dans la cavité. 10 Les figures 5 à 6 représentent l'alimentation en air chaud de la cavité 19. Ainsi, comme représenté sur la figure 5, lorsque le disque 2 est en rotation, la surface supérieure 12 du pied 8 vient en appui contre les dents 13 de la rainure 11 sous l'effet de la force centrifuge, de sorte qu'il existe un jeu 30 entre la surface inférieure 28 du pied et le fond 29 de la rainure 11. De l'air chaud 27 issu de la 15 chambre de combustion peut alors pénétrer dans l'entrée d'air 22 qui est creusée à travers ce pied sous l'effet de la force centrifuge. L'air chaud traverse alors la cavité et est expulsé sous l'effet de la force centrifuge (ou de la dépression) par les sorties d'air 23. La figure 6 représente le cas où le disque est à l'arrêt. Dans ce cas, les aubes 3a qui 20 ne sont pas dirigées vers le centre de la terre, reposent contre le fond 29 de la rainure 11 sous l'effet de la gravité, de sorte que l'entrée d'air 22 est bouchée par le fond 29 de la rainure 11. Par contre, la surface supérieure 12 du pied 8 n'est plus en appui contre les dents 13 de la rainure 11 de sorte que l'air chaud 27 peut être évacué hors de la cavité par l'espace libéré entre la surface supérieure 12 du pied et 25 les dents 13 de la rainure 11. La figure 7 représente également le cas où le disque est à l'arrêt. Dans ce cas, les aubes 3b qui sont dirigées vers le centre de la terre, reposent contre les dents 13 de la rainure 11 sous l'effet de la gravité, de sorte que l'entrée d'air 22 est débouchée par le fond 29 de la rainure. Ainsi, de l'air chaud peut également pénétrer dans la 30 cavité 19 par l'intermédiaire de l'entrée d'air 22. n Un procédé de fabrication d'une aube selon un mode de réalisation de l'invention est maintenant détaillé en référence aux figures 8 et 9. Lors d'une première étape, on réalise tout d'abord une préforme fibreuse d'aube 31. Cette préforme fibreuse d'aube 31 est de préférence réalisée à l'aide de couches de fibres. Ces fibres sont par exemple des fibres de carbone. On délie ensuite lors du tissage une zone 32 qui constituera la cavité 19, l'entrée 22 et la ou les sorties 23 d'air en diminuant dans cette zone le nombre de couches tissées. Cette zone 32 forme une préforme de cavité 33. On introduit ensuite une vessie dans la préforme de cavité 33. La vessie est étanche i.o à l'air et elle résiste aux températures comprises entre -55°C et 200°C. La vessie est souple et déformable. L'ensemble ainsi formé est ensuite introduit dans un moule d'injection. Le moule d'injection est ensuite refermé. La vessie est ensuite gonflée avec un fluide de façon à compacter la préforme fibreuse d'aube entre la vessie et le moule. En outre, la 15 vessie gonflée épouse la forme de la cavité 19, ainsi que de l'entrée d'air 22, et de la ou des sorties d'air 23 : pour ce faire, la vessie possède déjà (i.e. avant d'être gonflée) la forme de la cavité à venir, avec les canaux d'entrée/sortie d'air. Une résine est ensuite injectée dans la préforme fibreuse d'aube ainsi compactée. Cette résine est ensuite polymérisée. La vessie est ensuite vidée du fluide qu'elle 20 contenait. L'aube ainsi formée est ensuite retirée du moule d'injection. La vessie reste en place (ou non selon le besoin) dans la cavité de façon à garantir l'étanchéité de la cavité 19. Ce procédé permet de fabriquer une aube qui possède des moyens de limitation de la formation de glace à sa surface. En outre, l'aube fabriquée grâce à ce procédé est 25 solide et simple à fabriquer. Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits en référence aux figures. En particulier, la cavité n'est pas nécessairement vide. Elle peut notamment être remplie au moins partiellement de mousse, ce qui permet de renforcer la structure, ou d'emprisonner des composants électriques servant au dégivrage. En outre, comme représenté sur la figure 10, la cavité 19 peut être remplie par des appareils électroniques. La cavité 19 peut notamment être remplie d'un système électrique 35 permettant d'alimenter en électricité un tapis chauffant 34 fixé sur le bord d'attaque 17. Ce tapis chauffant 34 est un système de dégivrage additionnel qui peut être utilisé pour faire fondre la glace qui pourrait se former à la surface du bord d'attaque 17 malgré la présence de la cavité dans la pale. Ce tapis chauffant 34 permet de dissiper de l'énergie thermique par effet joule. Par ailleurs, sur la figure 3, l'aube comporte une entrée d'air et trois sorties d'air. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à ce nombre d'entrées d'air et de sorties d'air. Par ailleurs, l'aube pourrait également comporter, outre la cavité principale 19, d'autres cavités complémentaires en fonction de la surface de l'aube à réchauffer.