Brevet FR3049345A1 — publié le 20170929

PROCEDE ET INSTALLATION DE MISE EN OEUVRE D'UN ESSAI EN FATIGUE VIBRATOIRE D'UN SOMMET DE PALE DE TURBOMACHINE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un procédé et une installation pour la mise en oeuvre d'un essai en fatigue vibratoire d'un échantillon formé par le sommet d'une pale d'aube de turbomachine. L'invention concerne plus particulièrement un procédé et une installation permettant de tester un sommet de pale après reconditionnement de la pale. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans le cas d'une réparation d'un sommet de pale, par exemple par reconditionnement micro-plasma, il est recommandé de vérifier quelles sont les conséquences de cette réparation, notamment en ce qui concerne la fatigue vibratoire du sommet de la pale. Afin d'évaluer le comportement vibratoire du sommet de la pale qui a été réparé, il a été proposé de monter la pale réparée sur un pot vibrant, puis de solliciter le sommet de la pale à un mode propre prédéfini, par exemple le mode 2S1, selon la méthode dite de l'escalier. Un tel mode d'essai est complexe à mettre en oeuvre car il impose notamment d'atteindre une fréquence importante, de l'ordre de 2500 hertz, ce qui est difficilement réalisable. Ce mode d'essai a aussi besoin d'utiliser des moyens d'essai particuliers tels qu'un pot du type piézo-électrique et d'être complété par une caractérisation en trois dimensions des contraintes et déplacements. Tout cela rend le mode d'essai difficile à mettre en oeuvre. Et les résultats obtenus à l'issue d'un essai selon ce mode ne sont pas suffisamment fiables et donc difficilement exploitables. 3049345 2 L'invention a pour but de proposer un procédé et une installation pour mettre en oeuvre un essai de fatigue vibratoire sur le sommet d'une pale d'aube de turbomachine après réparation pour lesquels les résultats obtenus sont suffisamment fiables et exploitables. 5 EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention propose un procédé de mise en oeuvre d'un essai en fatigue vibratoire d'un sommet de pale d'aube de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de détermination de la forme et des dimensions d'un 10 échantillon de la pale à tester qui contient le sommet de pale ; une étape de découpe de la pale pour former l'échantillon ; une étape de mise en place de l'échantillon sur une installation de mise en oeuvre de l'essai ; et - une étape de mise en oeuvre de l'essai par sollicitation en vibration 15 de l'échantillon. La découpe d'un échantillon à partir de la pale, constitué par le sommet de celle-ci, permet de modifier les conditions de l'étape de sollicitation et ainsi de mettre en oeuvre des conditions de vibration qui sont plus réalisables. De préférence, à l'issue de l'étape de détermination, l'échantillon 20 comporte, dans le sens de sa longueur correspondant au sens de la largeur de la pale : un premier tronçon dont la hauteur, mesurée selon une direction parallèle à la longueur de la pale, est sensiblement constante, qui est destiné à l'installation de l'échantillon sur le banc d'essai, un deuxième tronçon ayant une hauteur inférieure à la hauteur du premier tronçon, un troisième tronçon intermédiaire situé entre le premier tronçon et le 25 deuxième tronçon dont la hauteur diminue en s'éloignant du premier tronçon jusqu'au deuxième tronçon, et l'échantillon comporte une zone de casse en fatigue vibratoire située dans le deuxième tronçon. De préférence, l'étape d'installation consiste à introduire au moins en partie le premier tronçon dans un bloc en alliage de métaux à bas point de fusion 3049345 3 De préférence, l'étape de détermination consiste à optimiser la forme de l'échantillon par la méthode des éléments finis. De préférence, l'étape de détermination consiste à prendre en compte la présence du bloc d'alliage et de ses propriétés mécaniques. 5 De préférence, l'étape de sollicitation consiste à faire vibrer l'échantillon selon une fréquence correspondant au premier mode propre de l'échantillon pendant un nombre de cycles prédéterminé. De préférence, l'étape de détermination consiste à déterminer ledit premier mode propre de flexion de l'échantillon. 10 De préférence, le procédé est mis en oeuvre après une étape de reconditionnement micro-plasma du sommet de la pale. L'invention concerne aussi une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour l'essai en fatigue vibratoire d'un sommet d'aube de turbomachine, qui comporte un pot vibrant, et un 15 mors métallique, caractérisée en ce qu'elle comporte un bloc en alliage de métaux à bas point de fusion qui est fixé au pot vibrant par l'intermédiaire du mors et qui est destiné à être surmoulé autour d'un tronçon de l'échantillon. De préférence, le bloc en alliage est composé d'environ 58% de bismuth 20 et de 42% d'étain. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles : 25 - la figure 1 est une représentation schématique d'une pale de turbomachine dont le sommet de celle-ci a été réparé ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un échantillon formé par découpe du sommet de la pale ; 3049345 4 - la figure 3 est une représentation schématique montrant l'échantillon mis en place dans un bloc de matériau de maintien ; - la figure 4 est une représentation schématique de l'installation de mise en oeuvre de l'opération de sollicitation de l'échantillon. 5 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On a représenté à la figure 1 une aube 10 de turbomachine, par exemple une pale d'une roue mobile du compresseur. Cette aube 10 est d'orientation principale radiale par rapport à l'axe principal de la turbomachine et comporte un pied 12 situé à une extrémité radiale interne 10 de l'aube 10 et une pale 14 s'étendant radialement vers l'extérieur à partir du pied 12. L'extrémité radialement externe 16 de la pale 14 est communément appelée le sommet de la pale 14 et il est parfois endommagé, notamment en cas d'impact avec un corps étranger. Plutôt que de remplacer complètement la pale 14 lorsque le sommet 16 15 de la pale est endommagé, il est préféré de réparer celui-ci. Après que le sommet 16 ait atteint un degré d'usure prédéterminé, il est réparé, par exemple par un procédé de reconditionnement micro-plasma. Après une telle réparation, les propriétés mécaniques de la pale 14, au niveau de son sommet 16 ont été modifiées, ce qui peut réduire la durée de vie de l'aube, 20 notamment en fatigue vibratoire. Pour vérifier que la modification des propriétés mécanique du sommet 16 de la pale 14 par un tel procédé de réparation, n'est pas trop défavorable pour la durée de vie de l'aube, il est prévu d'effectuer un essai en fatigue vibratoire du sommet 16 de la pale 14. 25 Le procédé de mise en oeuvre de cet essai consiste à prélever un échantillon 20 à partir de la pale 14 puis à réaliser l'essai en utilisant l'échantillon prélevé. Cet échantillon 20 comporte notamment la partie du sommet 16 de la pale 14 qui a été réparé. 3049345 5 Après avoir été prélevé de la pale 14, l'échantillon 20 est mis en place sur l'installation mettant en oeuvre l'essai en fatigue vibratoire, puis il est soumis aux vibrations selon la méthode de l'assai. Dans une première étape du procédé, la forme et les dimensions de 5 l'échantillon 20 sont calculées. Pour cette étape de détermination, on définit une zone particulière 22 de l'échantillon 20 au niveau de laquelle l'échantillon est amené à casser suite à des sollicitations du type de fatigue vibratoire. Cette zone 22 de l'échantillon 20 sera par la suite appelée zone de casse. 10 L'étape de détermination consiste à mettre en oeuvre une méthode de calcul par éléments finis et prend en compte les paramètres suivants : - la zone de casse 22 est située dans la partie du sommet 16 qui a été réparée ; - la zone de casse 22 est située à distance de la partie de l'échantillon 15 20 qui est utilisée pour le montage de l'échantillon 20 sur l'installation d'essai ; - la répartition des contraintes au niveau de la zone de casse 22 n'est pas confinée de manière trop importante pour permettre une mesure des contraintes sur l'échantillon 20 par une sonde de mesure 24. Un exemple d'échantillon 20 obtenu à l'issue de l'étape de 20 détermination est représenté à la figure 2. L'échantillon 20 consiste en un élément allongé dont l'orientation principale est parallèle à la largeur de la pale 14, c'est-à-dire une direction transversale du plan de la pale représentée à la figure 1. L'échantillon est constitué de plusieurs tronçons qui seront décrits par la 25 suite et qui sont de hauteurs différentes. Dans la description qui va suivre, la hauteur d'un tronçon sera définie comme étant mesurée selon une direction radiale, c'est-à-dire qui est parallèle à la direction principale radiale de la pale 14. L'échantillon 20 comporte un premier tronçon 26 ayant une hauteur sensiblement constante sur toute la longueur de l'échantillon 20. Ce premier tronçon 26 est situé à une première extrémité de l'échantillon. 3049345 6 L'échantillon 20 comporte un deuxième tronçon d'extrémité 28 qui est situé à la deuxième extrémité de l'échantillon 20. Le deuxième tronçon 28 a une hauteur qui est inférieure à la hauteur du premier tronçon 26. De préférence, la hauteur du premier tronçon 26 est suffisamment 5 importante pour permettre le montage de l'échantillon 20 sur l'installation d'essai sans que l'échantillon 20 ne casse au niveau du premier tronçon 26 lors de l'essai en fatigue vibratoire. L'échantillon 20 comporte aussi un troisième tronçon 30 reliant le premier tronçon 26 et le deuxième tronçon 28 dont la hauteur varie et décroit de façon 10 continue depuis le premier tronçon 26 jusqu'au deuxième tronçon 28. Selon un mode de réalisation préféré, la zone de casse 22 est située dans le deuxième tronçon 28, à proximité de la liaison du deuxième tronçon 28 avec le troisième tronçon 30. Aussi, de préférence, le premier tronçon 26 de l'échantillon 20 est situé 15 au niveau du bord de fuite de la pale 14, le deuxième tronçon 28 est par conséquent situé au niveau du bord d'attaque de la pale 14. Il sera compris que la forme de l'échantillon 20 n'est pas limitée à l'exemple décrit ci-dessus, et que l'invention concerne aussi un échantillon ayant une autre forme qui répond aux paramètres mentionnés précédemment. 20 A l'issue de l'étape de détermination, une étape de découpe de la pale 14 est mise en oeuvre pour prélever l'échantillon 20 selon la forme et les dimensions définies à l'issue de l'étape de détermination. L'échantillon est ensuite mis en place sur l'installation 32 destinée à mettre en oeuvre l'essai en fatigue vibratoire. 25 Comme on peut le voir à la figure 4, l'installation 32 comporte un mors 34 réalisé par exemple en acier, sur lequel l'échantillon 20 est destiné à être fixé et un élément 36 destiné à produire les vibrations sur l'échantillon 20, qui consiste ici en un pot vibrant. Le mors 34 est fixé de manière solidaire au pot vibrant 36 pour 30 transmettre les vibrations depuis le pot vibrant 36 jusqu'à l'échantillon 20. 3049345 7 L'installation 32 comporte aussi des moyens de fixation de l'échantillon 20 au mors 34 qui sont conçus pour ne pas modifier les propriétés de l'échantillon 20, afin de ne pas nuire à l'essai en fatigue vibratoire qui doit être conduit sur l'échantillon 20. Ces moyens de fixation consistent ici en un bloc 38 d'un alliage de métaux à bas point de 5 fusion qui est surmoulé autour du premier tronçon 26 de l'échantillon 20. Un tel bloc d'alliage 38 présente l'avantage de ne pas impliquer de recuit sur l'échantillon lors de l'opération de moulage. Aussi, le maintien de l'échantillon 20 dans le bloc d'alliage 38 n'induit pas de serrage, ni ne nécessite de perçages à réaliser dans le premier tronçon 26 de l'échantillon 20. 10 Ainsi, lorsque l'essai en fatigue vibratoire est mis en oeuvre, l'échantillon 20 conserve ses propriétés mécaniques qu'il possédait après l'opération de réparation. L'utilisation du bloc d'alliage 38 permet ainsi d'optimiser les conditions de mise en oeuvre de l'essai en fatigue vibratoire. A titre d'exemple non limitatif, le bloc d'alliage est composé d'environ 15 58% de bismuth et de 42% d'étain. Cet alliage est connu sous la dénomination commerciale CERROTRU et présente une température de fusion de 138 degrés Celsius. Après que l'échantillon 20 soit fixé dans l'installation 32, la sonde de mesure de contraintes 24 est montée sur l'échantillon 20, au niveau du troisième tronçon 30, dans une zone à faible gradient de contraintes mécaniques, puis la sonde 24 est 20 échantillonnée. Ensuite, une étape du procédé consistant à réaliser l'essai en fatigue vibratoire sur l'échantillon 20 est mise en oeuvre. L'essai en fatigue vibratoire consiste à solliciter l'échantillon 20 en vibration à une fréquence correspondant au premier mode propre de l'échantillon, 25 communément référencé mode 1F, pendant un nombre de cycles prédéterminé et avec un chargement, ou amplitude prédéfini. De préférence, le nombre de cycles est de 10 millions (107 cycles). Le mode propre de l'échantillon 20, ainsi que le chargement sont déterminés au cours de l'étape de détermination, en appliquant la méthode de calculs 30 par éléments finis. 3049345 8 Selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif, les sollicitations sur l'échantillon 20 sont orientées perpendiculairement au plan principal de l'échantillon 20, c'est-à-dire parallèlement à l'épaisseur de celui-ci. De manière plus générale, l'orientation de ces sollicitations est définie 5 pour reproduire les sollicitations en torsion subies par le sommet 16 de la pale 14 lors du fonctionnement de la turbomachine. Selon un autre mode de réalisation, le procédé comporte une étape de modélisation en trois dimensions (3D) des contraintes et déplacements et une étape de corrélation des résultats obtenus à l'issue de l'essai réel et à l'issue de la modélisation. 10 L'étape de modélisation consiste elle aussi à appliquer la méthode de calculs par éléments finis et en reprenant les mêmes paramètres d'essai que l'essai mis en oeuvre sur l'échantillon. Selon une variante de réalisation, la présence du bloc d'alliage 38 fait partie des paramètres de la modélisation. 15 REVENDICATIONS1. Procédé de mise en oeuvre d'un essai en fatigue vibratoire d'un sommet (16) de pale (14) d'aube de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de détermination de la forme et des dimensions d'un échantillon (20) de la pale (14) à tester qui contient le sommet (16) de pale (14) ; - une étape de découpe de la pale (14) pour former l'échantillon (20) ; - une étape de mise en place de l'échantillon (20) sur une installation (32) de mise en oeuvre de l'essai ; et - une étape de mise en oeuvre de l'essai par sollicitation en vibration de l'échantillon (20). 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'a l'issue de l'étape de détermination, l'échantillon (20) comporte, dans le sens de sa longueur, correspondant au sens de la largeur de la pale (14) : - un premier tronçon (26) dont la hauteur, mesurée selon une direction parallèle à la longueur de la pale (14), est sensiblement constante, qui est destiné à l'installation (32) de l'échantillon (20) sur le banc d'essai ; - un deuxième tronçon (28) ayant une hauteur inférieure à la hauteur du premier tronçon (26) ; - un troisième tronçon (30) intermédiaire situé entre le premier tronçon (26) et le deuxième tronçon (28) dont la hauteur diminue en s'éloignant du premier tronçon (26) jusqu'au deuxième tronçon (28), et en ce que l'échantillon (20) comporte une zone (22) de casse en fatigue vibratoire située dans le deuxième tronçon (28). 3049345 10 3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape d'installation (32) consiste à introduire au moins en partie le premier tronçon (26) dans un bloc (38) en alliage de métaux à bas point de fusion 5 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de détermination consiste à optimiser la forme de l'échantillon (20) par la méthode des éléments finis. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, en 10 combinaison avec la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape de détermination consiste à prendre en compte la présence du bloc d'alliage (38) et de ses propriétés mécaniques. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce que l'étape de sollicitation consiste à faire vibrer l'échantillon (20) selon une fréquence correspondant au premier mode propre de l'échantillon (20) pendant un nombre de cycles prédéterminé. 7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que 20 l'étape de détermination consiste à déterminer ledit premier mode propre de flexion de l'échantillon (20). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre après une étape de reconditionnement micro- 25 plasma du sommet (16) de la pale (14). 9. Installation (32) pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour l'essai en fatigue vibratoire d'un sommet (16) d'aube de turbomachine, qui comporte un pot vibrant (36), et un mors métallique (34), 3049345 11 caractérisée en ce qu'elle comporte un bloc (38) en alliage de métaux à bas point de fusion qui est fixé au pot vibrant (36) par l'intermédiaire du mors (34) et qui est destiné à être surmoulé autour d'un tronçon (26) de l'échantillon (20). 5 10. Installation (32) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le bloc (38) en alliage est composé d'environ 58% de bismuth et de 42% d'étain.