Brevet FR3063068A1 — publié le 20180824

CARENAGE ARRIERE POUR PYLONE DE TURBOREACTEUR EN MATERIAUX COMPOSITES La présente invention concerne un carénage arrière de pylône de suspension d'un turboréacteur d'aéronef, ainsi qu'une nacelle comportant un tel carénage arrière. Le carénage arrière de pylône de suspension, désigné aussi par l'acronyme « APF » (en terminologie anglaise « aft pylon fairing »), est installé dans le prolongement aval du pylône et de la buse d'éjection des gaz chauds d'un turboréacteur à double flux. Le turboréacteur peut être disposé en dessous ou au-dessus de l'aile de l'aéronef, dans les deux cas il est soutenu par un pylône équipé d'un carénage arrière. Un type de carénage arrière connu de pylône de suspension pour un turboréacteur à double flux, présenté notamment par le document EP-A2-2583900, forme un caisson comprenant une structure principale s'étendant selon la direction longitudinale du turboréacteur. Le caisson comporte des parois latérales, reliées par des moyens de raccordement à un plancher formant une protection thermique disposée au-dessus de la buse d'éjection des gaz chauds sortant du turboréacteur. Les moyens de raccordement du plancher sur la structure principale comportent un ensemble de languettes orientées sensiblement perpendiculairement à ce plancher, permettant d'accompagner un déplacement du plancher lors des dilatations thermiques différentielles entre les différents éléments. On notera que la surface inférieure du plancher peut être soumise à des températures élevées, de l'ordre de 600 à 800°C localement, alors que les parois latérales sur les flancs du carénage sont soumises à des températures beaucoup plus basses. Les différences de température entre les différents éléments du carénage, ainsi que les dilatations générées par ces températures, sont alors importantes. Ce type de carénage est généralement réalisé en matériaux métalliques, en utilisant par exemple un alliage de nickel pour les surfaces aérodynamiques, et un alliage de titane pour les éléments de structure. On obtient un carénage relativement lourd, et présentant des problèmes de dilatations thermiques différentielles importantes dues aux forts gradients thermiques, et aux différences de coefficient de dilatation des différents matériaux utilisés. De plus le carénage est soumis à des vibrations élevées, dues notamment aux turbulences des gaz éjectés, qui entraînent un travail en fatigue des matériaux. 3063068 2 Par ailleurs un type de bouclier thermique connu pour une nacelle de turboréacteur, présenté notamment par le document US-B2-7943227, comporte un panneau galbé réalisé avec un matériau composite à matrice céramique, désigné par l'acronyme « CMC », comprenant des couches de tissu superposées constituant une 5 préforme, qui est ensuite imprégnée d'une matrice céramique. Par rapport aux matériaux métalliques, les matériaux composites à matrice céramique CMC sont beaucoup plus légers, et présentent des dilatations thermiques réduites. Toutefois ce type de matériau composite à matrice céramique CMC 10 présente de faibles caractéristiques mécaniques entre les différentes couches de tissu de la préforme. On peut avoir alors des problèmes de délaminage des couches entre elles affectant la tenue mécanique du carénage soumis à des contraintes mécaniques et à des vibrations qui peuvent être importantes. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients 15 de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un carénage arrière pour un pylône maintenant un turboréacteur d'aéronef, prévu pour former une surface aérodynamique couvrant la base de ce pylône, ce carénage allongé dans la direction longitudinale, comprenant un plancher prévu pour être disposé face aux gaz chauds sortant du turboréacteur, et 20 des parois latérales constituant des surfaces aérodynamiques, caractérisé en ce que le plancher et les parois latérales comportent des matériaux composites à matrice céramique réalisés à partir de préformes formées de couches de fils de chaîne ou de trame superposées, ces préformes disposant de fils de tissage inter-couches reliant les couches entre elles. 25 Un avantage de ce carénage arrière est qu'on dispose de la légèreté du matériau composite à matrice céramique ainsi que de sa bonne tenue aux différents agents chimiques, tout en lui ajoutant une résistance mécanique élevée, sans risque de délaminage des couches entre elles, grâce au tissage de cette préforme comprenant des fils de liaison inter-couches, tel qu'un tissage en trois dimensions 30 « 3D » orthogonal ou couche à couche, appelé aussi tissage « interlock » en langue anglaise. Le carénage arrière selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. En particulier, le carénage arrière peut comporter des cloisons en 35 élévation fixées sur le plancher 3063068 3 Avantageusement, les cloisons présentent une préforme qui est formée d'une pièce avec la préforme du plancher. On obtient une solidarisation importante des cloisons avec le plancher. Dans ce cas, la préforme du plancher peut comporter sur le dessus une 5 partie distincte prévue pour constituer les cloisons, qui est reliée à cette préforme du plancher par des lignes de pliage transversales. Selon un mode de réalisation, la préforme comporte d'une seule pièce le plancher et les parois latérales qui sont reliés entre eux par des pliages formant des arêtes arrondies. 10 Selon un autre mode de réalisation, la préforme comporte d'une seule pièce le plancher et les parois latérales qui sont reliés entre eux par des pliages formant des arêtes vives dépassant vers l'extérieur des parois latérales. Les arêtes vives permettent de séparer le flux des gaz chauds de combustion du flux d'air frais secondaire. 15 Dans ce cas, avantageusement la préforme comporte de chaque côté vers l'extérieur d'une ligne de pliage raccordant directement le plancher à la paroi latérale, une excroissance réalisée dans la continuité de ce plancher, en-dessous de la paroi latérale. En particulier, le carénage peut comporter dans la direction longitudinale 20 un ensemble comprenant le plancher et des parois latérales, qui est formé par plusieurs parties rattachées ensemble. Cette disposition permet de réaliser des pièces plus courtes. Dans ce cas, avantageusement une partie de carénage présente à une extrémité de raccordement sur une autre partie de carénage, une longueur qui est en 25 retrait vers l'intérieur du carénage, se superposant à l'intérieur de l'autre partie de carénage. On réalise de cette manière un emboîtement permettant de former une surface extérieure aérodynamique qui reste lisse. Avantageusement, des surfaces aérodynamiques du carénage comportent un traitement acoustique. 30 En particulier, les préformes peuvent être tissées majoritairement de fibres d'oxyde d'aluminium, d'aluminosilicates, de carbure de silicium ou de carbone, avec chacun de ces éléments ou avec ces éléments en combinaison. L'invention a aussi pour objet une nacelle de turboréacteur prévue pour un aéronef, caractérisée en ce qu'elle comporte un carénage arrière recouvrant la 35 base d'un pylône de liaison avec l'aéronef, selon l'une quelconque des revendications précédentes. 3063068 4 L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les figures 1 et 2 présentent des carénages arrière selon l'invention, 5 suivant deux variantes, avec arêtes arrondies entre plancher et parois latérales ; - les figures 3 et 4 sont des vues en coupe transversale d'un carénage arrière selon l'invention, la figure 4 présentant un plancher acoustique ; - la figure 5 présente une préforme tissée pour un carénage selon l'invention ; 10 - les figures 6 et 7 présentent un carénage arrière suivant deux variantes, avec arêtes vives entre plancher et parois latérales ; - la figure 6a est une vue de détail en section transversale des figures 6 et 7, présentant l'arête vive de séparation des flux reliant le plancher aux parois latérales 15 - la figure 8 présente une préforme prévue pour former le carénage présenté figure 7 ; - les figures 9a et 9b présentent des coupes transversales d'une préforme montrant des fils de tissage inter-couches ; et - la figure 10 présente un carénage arrière suivant une variante avec 20 arêtes arrondies puis arêtes vives entre plancher et parois latérales. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. Les différentes figures présentées ci-après illustrent différentes options possibles pour la réalisation du carénage selon l'invention, qui peuvent être mixées 25 entre elles de toutes les manières possibles. Les figures 1 et 3 présentent un carénage arrière prévu pour être disposé suivant un axe longitudinal d'une nacelle de turboréacteur à double flux, à la base d'un pylône supportant ce turboréacteur, comportant un côté avant indiqué par la flèche « AV ». 30 Le carénage arrière comporte un plancher 2 sensiblement plat, raccordé directement de chaque côté par un pli formant une arête arrondie 6 à une paroi latérale 4 en élévation longitudinale par rapport à ce plancher, pour former des surfaces extérieures aérodynamiques guidant les flux de gaz. En particulier le plancher 2 guide en dessous les gaz chauds sortant du turboréacteur, et les parois latérales 4 35 l'air froid venant du double flux. 3063068 5 Les parois latérales 4 ainsi que le plancher 2 sont formés à partir d'une unique préforme tissée, pliée sur les deux côtés afin de former les parois latérales 4 reliées au plancher 2 par une arête arrondie 6 qui sépare les flux de gaz chauds circulant sous le plancher des flux d'air froid circulant sur les côtés des parois 5 latérales. Chaque paroi latérale 4 comporte en partie supérieure une rangée de perçages 18 disposée parallèlement au bord supérieur de la paroi, constituant des fixations du carénage arrière au pylône. Le carénage arrière comporte à l'intérieur deux cloisons transversales 10, 10 12 formant des élévations verticales disposées transversalement, reliant chacune à la fois le plancher 2 et les deux parois latérales 4. Les deux cloisons transversales 10, 12 comportent à leurs extrémités des rebords pliés 14, rabattus parallèlement aux surfaces des parois latérales 4. La cloison transversale arrière 12 comporte un rebord supérieur plié 16 parallèlement au 15 plancher 2, qui est prévu pour être assemblé et fixé sous le pylône. Les rabats des extrémités des cloisons 10, 12 pliés sur les parois latérales 4 peuvent être renforcées par des fibres ajoutées entre les parties des préformes mises en vis-à-vis, afin de produire une liaison fibreuse entre ces préformes réduisant ainsi le risque de délaminage. Les couches de ces fibres peuvent être insérées par un 20 procédé de couture comportant un fil d'un seul côté, appelé « tufting » en langue anglaise, ou un fil de chaque côté, appelé « stitching » en langue anglaise, avant la consolidation de la préforme par la matrice. Les figures 2 et 4 présentent un carénage arrière comportant successivement dans la direction longitudinale trois parties 20, 22, 24 comprenant 25 chacune un plancher 2 directement relié aux parois latérales 4 par des arêtes arrondies 6, en utilisant une même préforme pliée. La partie centrale de carénage 22 présente du côté avant sur une petite longueur un contour 26 légèrement en retrait vers l'intérieur du carénage, suivant une épaisseur constante, qui vient se superposer à l'intérieur du côté arrière de la partie 30 avant de carénage 20 pour se fixer dessus. De cette manière on obtient une grande surface de liaison entre la partie avant 20 et la partie centrale 22 de carénage, assurant une continuité des surfaces aérodynamiques extérieures du carénage au niveau de la liaison entre ces deux parties. De plus on assure une continuité mécanique entre les deux parties 20, 22 par 35 un procédé de liaison comme l'insertion de fibres reliant les deux préformes avant la 3063068 6 consolidation, le collage des deux préforme lors de la consolidation, ou encore l'assemblage par des fixations traversantes entre les deux pièces. La partie centrale de carénage 22 est reliée à la partie arrière de carénage 24 par un raccordement bord à bord, qui peut comporter à l'intérieur des fixations 5 entre ces deux parties, notamment des bandes collées à cheval sur ces deux parties. La partie arrière de carénage 24 se terminant vers l'arrière de manière resserrée, comporte une cloison arrière verticale 28 qui ferme l'extrémité arrière du carénage, présentant de chaque côté un bord 30 rabattu à l'intérieur de la paroi latérale 4. Les bords rabattus 30 peuvent être selon le besoin renforcés par des fibres 10 reliant chaque bord avec la préforme de la partie arrière 24, collés avec cette préforme lors de la consolidation, ou assemblés par des fixations traversantes. Le plancher 2 de chaque partie de carénage 20, 22, 24 comporte une zone acoustique 32 prise en sandwich dans l'épaisseur du plancher, présentant des perforations de sa surface aérodynamique débouchant à l'intérieur sur des cavités, 15 telles que par exemple une structure en nid d'abeille, afin de réaliser une atténuation de fréquences acoustiques. La figure 5 présente une préforme tissée en trois dimensions, pour un carénage sans raidisseurs intérieurs, avec des fils de trame et de chaînes de ce tissage qui peuvent être mis dans la direction longitudinale ou transversale. 20 Un pliage de la préforme le long des lignes de pliage 40 séparant le plancher 2 des parois latérales 4, est fait avec un rayon pour former les arêtes arrondies 6 présentées dans les exemples ci-dessus. Les figures 6 et 6a présentent un carénage comprenant un pliage le long des lignes de pliage 40 qui se trouvent à l'intérieur de ce carénage. 25 De plus le long de chaque ligne de pliage 40, une arête vive tournée vers l'extérieur 42 est formée en dépassant vers l'extérieur des parois latérales 4 suivant une largeur L. On obtient un raccordement du plancher 2 avec chaque paroi latérale 4 présentant une section en « Y » disposant d'une arête vive tournée vers l'extérieur 42, séparant le flux des gaz chauds du flux d'air froid. 30 La figure 7 présente un carénage similaire à celui présenté 6, comportant de plus une succession de trois cloisons transversales parallèles 10, présentant chacune aux extrémités des rebords pliés 14 fixés à l'intérieur des parois latérales 4, et au-dessus un rebord supérieur plié 16 parallèlement au plancher 2, prévu pour être fixé sous le pylône. 3063068 7 Les figures 8, 9a et 9b présentent une préforme comprenant dans une section transversale le plancher 2 raccordé de chaque côté aux parois latérales 4, par des pliages formés suivant les lignes de pliage 40. Une excroissance de la préforme est réalisée dans la continuité du 5 plancher 2 à l'extérieur de chaque ligne de pliage 40, en-dessous des parois latérales 4, pour former les arêtes extérieures 42. La figure 8 présente la préforme comportant sur le dessus des parties distinctes prévues pour constituer les cloisons transversales 10, qui sont reliées à la préforme du plancher 2 par des lignes de pliage transversales 50. 10 La partie distincte disposée du côté arrière, reliée vers l'avant par une ligne de pliage transversale 50 au plancher 2, est redressée pour former une cloison transversale 10. La partie distincte disposée du côté avant, reliée vers l'avant et vers l'arrière par une ligne de pliage transversal 50 au plancher 2, est coupée selon une 15 ligne de coupe transversale 52. Chaque côté est ensuite redressé suivant sa ligne de pliage 50 pour former une cloison transversale 10. Chaque extrémité des cloisons transversales 10 est prévue pour se replier en formant un bord plié 14 venant se plaquer à l'intérieur d'une paroi latérale 4. Les couches de fils de chaîne ou de trame longitudinaux 44 superposées 20 présentées par les figures 9a et 9b constituant la préforme sont reliées entre elles avec différents fils de tissage inter-couches 46 disposés transversalement, qui varient en prenant différentes colonnes de fils longitudinaux, suivant la position dans la direction longitudinale comme présenté dans ces figures. On notera que les différentes couches de fils longitudinaux 44 des arêtes 25 extérieures 42 sont reliées entre elles ainsi qu'au plancher 2 par des fils de tissage inter-couches transversaux 46, et que les fils longitudinaux du plancher sont aussi reliées aux fils longitudinaux des parois latérales 4 par ces fils de tissage inter-couches. De cette manière par l'intermédiaire de différentes fibres transversales des fils de tissage inter-couches 46, l'ensemble des fibres longitudinales des différentes zones 30 plancher 2, parois latérales 4 et arêtes extérieures 42, sont reliées ensemble en une préforme unique. D'une manière générale, les élévations 10 formées à l'intérieur du carénage peuvent être réalisées par des parties de préforme formées lors du tissage de la préforme générale comprenant le plancher 2 et les parois latérales 4, ou 35 rapportées par une couture additionnelle sur cette préforme générale. 3063068 8 La figure 10 présente un carénage arrière comportant dans sa partie avant de chaque côté une arête vive extérieure 42 reliant le plancher 2 aux parois latérales 4, qui devient progressivement à partir d'un point de transition 60 une arête arrondie 6. Pour cela on réalise une préforme présentant dans la longueur une 5 transition du tissage des couches formant au début l'arête vive extérieure 42, puis la supprimant ensuite pour obtenir l'arête arrondie 6. On réalise d'une manière simple et économique avec les matériaux composites CMC comprenant une préforme largement renforcée par le tissage en trois dimensions reliant les différentes couches entre elles, un carénage arrière de 10 pylône disposant d'un nombre réduit de composants, présentant à la fois une bonne tenue en température, un faible coefficient de dilatation thermique et une homogénéité de ce coefficient sur l'ensemble de la pièce, limitant les problèmes d'élongation liés au gradient thermique. On assure ainsi une robustesse mécanique de l'ensemble. 15 Pour la réalisation des préformes on peut utiliser des fibres céramiques telles que des oxydes d'aluminium ou d'aluminosilicates, qui seront associées à une matrice de poudre d'alumine ou d'aluminosilicate. On peut également utiliser des fibres de carbones associées à des matrices géo-polymères résistant à des températures élevées. On peut encore éventuellement utiliser des fibres de 20 céramiques au carbure de silicium SiC associées à une matrice en carbure de silicium SiC. On peut encore réaliser les préformes par combinaisons de différentes de ces fibres entre elles, en assurant la cohérence avec la matrice. De plus les matériaux composites CMC présentent une inertie chimique 25 face aux atmosphères oxydantes des gaz de combustion et au rejet de fluide du turboréacteur. Par ailleurs on peut prévoir facilement un traitement acoustique des parois. REVENDICATIONS1. Carénage arrière pour un pylône maintenant un turboréacteur d'aéronef, prévu pour former une surface aérodynamique couvrant la base de ce pylône, ce carénage allongé dans la direction longitudinale, comprenant un plancher (2) prévu pour être disposé face aux gaz chauds sortant du turboréacteur, et des parois latérales (4) constituant des surfaces aérodynamiques, caractérisé en ce que le plancher (2) et les parois latérales (4) comportent des matériaux composites à matrice céramique réalisés à partir de préformes formées de couches de fils de chaîne ou de trame superposées, ces préformes disposant de fils de tissage inter-couches (46) reliant les couches entre elles. 2. Carénage arrière selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des cloisons en élévation (10) fixées sur le plancher (2). 3. Carénage arrière selon la revendication 2, caractérisé en ce que les 15 cloisons (10) présentent une préforme qui est formée d'une pièce avec la préforme du plancher (2). 4. Carénage arrière selon la revendication 3, caractérisé en ce que la préforme du plancher (2) comporte sur le dessus une partie distincte prévue pour constituer les cloisons (10), qui est reliée à cette préforme du plancher (2) par des 20 lignes de pliage transversales (50). 5. Carénage arrière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la préforme comporte d'une seule pièce le plancher (2) et les parois latérales (4) qui sont reliés entre eux par des pliages formant des arêtes arrondies (6). 25 6. Carénage arrière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la préforme comporte d'une seule pièce le plancher (2) et les parois latérales (4) qui sont reliés entre eux par des pliages formant des arêtes (42) dépassant vers l'extérieur des parois latérales (4). 7. Carénage arrière selon la revendication 6, caractérisé en ce que la 30 préforme comporte de chaque côté vers l'extérieur d'une ligne de pliage (40) raccordant directement le plancher (2) à la paroi latérale (4), une excroissance réalisée dans la continuité de ce plancher (2), en-dessous de la paroi latérale (4). 8. Carénage arrière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte dans la direction longitudinale un 35 ensemble comprenant le plancher (2) et des parois latérales (4), qui est formé par plusieurs parties rattachées ensemble. 3063068 10 9. Carénage arrière selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une partie de carénage (22) présente à une extrémité de raccordement sur une autre partie de carénage (20), une longueur qui est en retrait (26) vers l'intérieur du carénage, se superposant à l'intérieur de l'autre partie de carénage (20). 5 10. Carénage arrière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des surfaces aérodynamiques comportent un traitement acoustique (32). 11. Carénage arrière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les préformes sont tissées majoritairement de 10 fibres d'oxyde d'aluminium, d'aluminosilicates, de carbure de silicium ou de carbone, avec chacun de ces éléments ou avec ces éléments en combinaison. 12. Nacelle de turboréacteur prévue pour un aéronef, caractérisée en ce qu'elle comporte un carénage arrière recouvrant la base d'un pylône de liaison avec l'aéronef, selon l'une quelconque des revendications précédentes.