Brevet FR3074088A1 — publié le 20190531

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne les carters de turbine à gaz, et plus particulièrement, mais non exclusivement, les carters de soufflante de turbine à gaz pour moteurs aéronautiques. Dans un moteur aéronautique à turbine à gaz, le carter de soufflante remplit plusieurs fonctions. Il définit la veine d'entrée d'air dans le moteur, supporte un matériau abradable en regard des sommets d'aubes de la soufflante, supporte une structure éventuelle d'absorption d'ondes sonores pour le traitement acoustique en entrée du moteur et incorpore ou supporte un bouclier de rétention, ou zone de rétention. Le bouclier de rétention, ou zoné de rétention, constitue un piège à débris retenant les débris, tels que des objets ingérés ou des fragments d'aubes endommagées, projetés par centrifugation, afin d'éviter qu'ils traversent le carter et atteignent d'autres parties de l'aéronef. Précédemment réalisés en matériau métallique, les carters, comme le carter de soufflante, sont maintenant réalisés en matériau composite, c'est-à-dire à partir d'une préforme fibreuse densifiée par une matrice organique, ce qui permet de réaliser des pièces ayant une masse globale moins élevée que ces mêmes pièces lorsqu'elles sont réalisées en matériau métallique tout en présentant une résistance mécanique au moins équivalente sinon supérieure. La fabrication d'un carter de soufflante en matériau composite à matrice organique est réalisée par enroulement d'une texture fibreuse autour d'un mandrin. Afin de former la zone de rétention, une zone de surépaisseur est formée sur le carter, généralement dans une partie centrale du carter. 30 Une telle zone de surépaisseur est généralement réalisée en augmentant la taille des fils de chaine utilisés, ou bien en rajoutant des fils de chaine. Cependant, une telle solution dans laquelle la surépaisseur formant la zone de rétention est obtenue en ajoutant des fils de chaine ou en augmentant localement leur taille modifie le ratio volumique entre les fils 35 de chaine et les fils de trame au niveau de la zone de surépaisseur par rapport au reste du carter. Or, le ratio volumique entre les fils de chaine et les fils de trame est déterminé afin d'améliorer la résistance du carter à la 2 fissuration. Ainsi, la solution actuelle tend à s'éloigner du ratio équilibré (50/50), et donc potentiellement à diminuer la résistance à la fissuration du carter. Afin de limiter la modification du ratio volumique entre les fils de 5 chaine et les fils de trame, il est connu d'augmenter le nombre de tours effectués avec la texture fibreuse autour du mandrin de sorte à obtenir l'épaisseur désirée de la zone de rétention tout en limitant l'augmentation de la taille des fils de chaine ou l'ajout de fils de chaine. Cependant, une telle solution augmente l'épaisseur du carter sur toute sa longueur, 10 augmentant ainsi le poids dudit carter. Objet et résumé de l'invention Il est donc souhaitable de pouvoir disposer d'une solution de 15 fabrication d'un carter possédant une zone de rétention afin de protéger le reste du moteur et l'aéronef de divers débris pouvant être expulsés, tout en améliorant la résistance à la fissuration dudit carter. L'invention vise également à la fabrication d'un carter possédant un poids réduit. 20 A cet effet, selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'un carter en matériau composite à épaisseur variable pour une turbine à gaz, comprenant: - la réalisation par tissage tridimensionnel d'une texture fibreuse sous forme d'une bande, 25 - l'enroulement de la texture fibreuse en plusieurs couches superposées sur un mandrin de profil correspondant à celui du carter à fabriquer, afin d'obtenir une préforme fibreuse de forme correspondant à celle du carter à fabriquer, - la densification de la préforme fibreuse par une matrice, caractérisé en ce que, avant le début de l'enroulement de la texture fibreuse sur le mandrin, une bande de renfort ayant une largeur inférieure à celle de la texture fibreuse est placée sur le mandrin dans une zone destinée à former une zone de rétention du carter. L'utilisation d'une bande de renfort située sur le mandrin et sur 35 laquelle la texture fibreuse est enroulée permet de former une zone de surépaisseur sur le carter afin de former la zone de rétention, sans 3 modification du ratio volumique entre les fils de chaine et les fils de chaine, et sans augmentation de l'épaisseur des autres zones du carter. Le procédé de fabrication peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou de manière combinée suivant les possibilités 5 techniques : - la bande de renfort a une section de forme trapézoïdale ; - la bande de renfort est une bande textile ; - la bande de renfort est formée de fibres choisies parmi : les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres d'aramide, les fibres céramiques, et 10 leurs mélanges ; - la bande de renfort est formée de fibres de verre ; - la bande de renfort est une structure tissée unidirectionnelle, bidirectionnelle ou tridimensionnelle. Selon une deuxième, l'invention propose un carter de soufflante de 15 turbine à gaz en matériau composite ayant une épaisseur variable et comprenant une préforme fibreuse qui comprend une pluralité de couches superposées d'une texture fibreuse sous forme d'une bande présentant un tissage tridimensionnel, ladite préforme fibreuse étant densifiée par une matrice, caractérisé en ce qu'une bande de renfort est présente sur la 20 surface interne du carter, ladite bande de renfort présentant une largeur inférieure à la largeur de la texture fibreuse et délimitant une zone de rétention du carter. Le carter peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou de manière combinée suivant les possibilités techniques : 25 - la bande de renfort a une section de forme trapézoïdale ; - la bande de renfort est une bande textile ; - la bande de renfort est formée de fibres choisies parmi : les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres d'aramide, les fibres céramiques, et leurs mélanges ; 30 - la bande de renfort est formée de fibres de verre; - la bande de renfort est une nappe unidirectionnelle, une structure tissée bidirectionnelle, ou une structure tissée tridimensionnelle. Selon troisième aspect, l'invention propose un moteur aéronautique à turbine à gaz ayant un carter de soufflante selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes. 4 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, 5 donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue en perspective et en coupe partielle d'un moteur aéronautique équipé d'un carter de soufflante en matériau composite conformément à un mode de réalisation de l'invention, 10 la figure 2 est une vue en coupe selon le plan II-II du carter de la figure 1, la figure 3 est une vue schématique montrant l'enroulement de la structure fibreuse autour d'un mandrin autour duquel est positionné la bande de renfort, 15 la figure 4 est une vue en coupe montrant le profil de la préforme fibreuse obtenue après enroulement de la structure fibreuse autour du mandrin et de la bande de renfort, la figure 5 est une vue schématique montrant un outillage permettant de densifier avec une matrice la préforme fibreuse de la figure 4. 20 Description détaillée de modes de réalisation L'invention sera décrite ci-après dans le cadre de son application à un carter de soufflante de moteur aéronautique à turbine à gaz. 25 Un tel moteur, comme montré très schématiquement par la figure 1 comprend, de l'amont vers l'aval dans le sens de l'écoulement de flux gazeux, une soufflante 1 disposée en entrée du moteur, un compresseur (non représenté), une chambre de combustion 3, une turbine haute-pression 4 et une turbine basse pression 5. 30 Le moteur est logé à l'intérieur d'un carter comprenant plusieurs parties correspondant à différents éléments du moteur. Ainsi, la soufflante 1 est entourée par un carter de soufflante 100. La figure 2 montre un profil de carter de soufflante 100 en matériau composite tel qu'il peut être obtenu par un procédé selon l'invention. La 35 surface interne 101 du carter définit la veine d'entrée d'air. Elle peut être munie d'une couche de revêtement abradable 102 au droit de la trajectoire des sommets d'aubes de la soufflante, une aube 13 étant 5 partiellement montrée de façon très schématique. Le revêtement abradable est donc disposé sur une partie seulement de la longueur (en direction axiale) du carter. Un revêtement de traitement acoustique (non représenté) peut en outre être disposé sur la surface interne 101 5 notamment en amont du revêtement abradable 102. Le carter 100 peut être muni de brides externes 104, 105 à ses extrémités amont et aval afin de permettre son montage et sa liaison avec d'autres éléments. Entre ses extrémités amont et aval, le carter 100 présente une épaisseur variable, une zone de surépaisseur 110 du carter 10 ayant une plus forte épaisseur que les parties adjacentes 120 et 130. La surépaisseur peut par exemple être comprise entre 3 et 10 mm. La zone de surépaisseur 110 s'étend de part et d'autre de l'emplacement de la soufflante, vers l'amont et l'aval, afin de former une zone ou un bouclier de rétention capable de retenir des débris, particules 15 ou objets ingérés en entrée du moteur, ou provenant de l'endommagement d'aubes de la soufflante, et projetés radialement par rotation de la soufflante, pour éviter qu'ils traversent le carter et endommagent d'autres parties de l'aéronef. Le carter 100 est réalisé en matériau composite à renfort fibreux 20 densifié par une matrice. Le renfort est en fibres par exemple de carbone, verre, aramide ou céramique et la matrice est en polymère, par exemple époxyde, bisnialéimide ou polyimide, en carbone ou en céramique. Le renfort fibreux est formé par enroulement sur un mandrin d'une texture fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel avec épaisseur 25 évolutive, le mandrin ayant un profil correspondant à celui du carter à réaliser. Avantageusement, le renfort fibreux constitue une préforme fibreuse tubulaire complète du carter 100 formant une seule pièce avec des parties de renfort correspondant aux brides 104, 105. Conformément à l'invention, le renfort fibreux du carter 100 est 30 constitué d'une pluralité de couches superposées 141 à 143 d'une texture fibreuse 140 sous forme d'une bande présentant un tissage tridimensionnel ou multicouche, chaque couche 141 à 143 correspondant à un tour d'enroulement de la texture fibreuse 140 (sur la figure 2 les couches 141 à 143 sont densifiées par une matrice). 35 En outre, une bande de renfort 150 est présente sur la surface interne 101 du carter 100. La bande de renfort 150 définie la surface 6 interne 101 du carter 100 sur la zone de surépaisseur 110. La bande de renfort 150 est recouverte par les différentes couches 141 à 143 de la texture fibreuse 140, permettant ainsi de former la zone de surépaisseur 110. La surépaisseur de la zone de surépaisseur 110 est égale à 5 l'épaisseur de la bande de renfort 150. La zone de surépaisseur 110 permet d'augmenter localement les propriétés mécaniques du carter 100, et notamment sa résistance à la rupture, de manière à former la zone de rétention. La bande de renfort 150 possède une largeur inférieure à la largeur 10 de la texture fibreuse 140. La largeur de la bande de renfort 150 définie la largeur de la zone de surépaisseur 110, et la largeur de la texture fibreuse est égale à la longueur du carter 100 plus la longueur des brides 104 et 105. La bande de renfort 150 comprend de préférence une section de 15 forme trapézoïdale. Une telle section de forme trapézoïdale permet à la texture fibreuse 140 de plus facilement épouser la forme de la bande de renfort. Par section on entend ici une section droite du carter 100, dans un plan de coupe comprenant l'axe dudit carter 100. La bande de renfort 150 peut être une bande textile formée de 20 fibres qui peuvent être des fibres de carbone, des fibres de verre, des fibres d'aramide, des fibres céramiques, ou leurs mélanges. De manière préférentielle la bande de renfort 150 est en fibre de verre. Les fibres de verre possèdent en effet l'avantage de posséder une très bonne résistance aux cisaillements, permettant ainsi d'apporter une bonne résistance à la 25 zone de rétention. Lorsque les aubes de la soufflante comprennent un élément métallique, comme par exemple un renfort de bord d'attaque métallique, la bande de renfort 150 est préférentiellement en fibres de verre. Suivant une variante possible du mode de réalisation selon lequel la 30 bande de renfort est une bande textile, la forme trapézoïdale de la section de la bande de renfort 150 est obtenue par un empilement d'une pluralité de couche de fibres dont la largeur diminue progressivement. La bande de renfort 150 peut être une structure tissée bidirectionnelle, ou tridimensionnelle. Par tissage tridimensionnelle on 35 comprend un tissage pour lequel des fils de chaine traversent plusieurs couches de fils de trame, ou des fils de trame traversent plusieurs couches 7 de fils de chaine. La bande de renfort 150 peut également être formée d'une nappe unidirectionnelle, c'est-à-dire d'une structure textile ou les fibres s'étendent toutes selon une seule direction. La bande de renfort 150 peut également être formée d'une 5 structure textile non tissée (NCF pour « Non-Crimp Fabric » selon la terminologie anglo-saxonne). La bande de renfort 150 peut ainsi être formée d'une pluralité de fibres non tissées qui sont compressées et liées entre elles par un liant. Dans une structure textile NCF, les fibres sont dirigées selon une pluralité de directions. 10 Les différentes couches 141 à 143 ont de préférence un ratio volumique entre les fils de chaine et les fils de trame compris entre 70/30 et 30/70, et est encore plus de préférence égale à 50/50. Un tel ratio permet de renforcer la résistance à la fissuration du carter 10. Les différentes couches 141 à 143 de la texture fibreuse 140 15 peuvent avoir une épaisseur qui varie sur la longueur du carter 100, de préférence tout en restant dans l'intervalle de ratio volumique entre les fils de chaine et les fils de trame compris entre 70/30 et 30/70. Une telle caractéristique permet de faire varier l'épaisseur du carter 100 dans d'autres zones que la zone de rétention. Ainsi, le carter 100 peut posséder 20 une épaisseur faible à ses deux extrémités au niveau des brides 104 et 105, par exemple une épaisseur comprise entre 10mm et 20mm, et une épaisseur plus importante dans une zone centrale entourant la zone de rétention 110, par exemple une épaisseur comprise entre 30mm et 40mm, la zone de rétention 110 étant la zone ayant l'épaisseur la plus importante 25 du carter, par exemple une épaisseur comprise entre 40mm et 5Ornrn. Les différentes couches 141 à 143 peuvent également posséder une épaisseur constante sur toute la longueur du carter 100. Cela permet de conserver le ratio volumique entre les fils de chaine et les fils de trame constant sur la toute la longueur du carter 100, de préférence entre 70/30 30 et 30/70, et est encore plus de préférence égal à 50/50. Comme illustrée sur la figure 3, la texture fibreuse 140 présente une forme de bande qui s'étend en longueur dans une direction circonférentielle X correspondant à la direction de défilement des fils ou 35 torons de chaîne et en largeur ou transversalement dans une direction axiale Y correspondant à la direction des fils ou torons de trame. 8 Comme illustré sur la figure 3, une préforme fibreuse est formée par enroulement sur un mandrin 200 de la texture fibreuse 140 réalisée par tissage tridimensionnel, le mandrin ayant un profil correspondant à celui du carter à réaliser, et la bande de renfort 150 étant déjà située sur 5 le mandrin 200. La largeur L150 de la bande de renfort 150 correspond à la largeur de la zone de rétention à former sur le carter, et la largeur L140 de la texture fibreuse 140 correspond globalement à la longueur du carter. La largeur L150 de la bande de renfort 150 est donc inférieure à la largeur 140 de la texture fibreuse 140. 10 Conformément à l'invention, la bande de renfort 150 est disposée sur le mandrin 200 dans une zone destinée à former la zone de rétention du carter 10 avant l'étape d'enroulement de la texture fibreuse 140. Ainsi, la texture fibreuse est enroulée par-dessus la bande de renfort 150 lorsque ladite texture fibreuse 140 est enroulée autour du mandrin 200. La 15 bande de renfort 150 peut être disposée sur le mandrin 200 par enroulement de ladite bande de renfort 150 sur ledit mandrin 200. Avantageusement, la préforme fibreuse constitue un renfort fibreux tubulaire complet du carter 100 formant une seule pièce avec une portion de surépaisseur correspondant à la zone de rétention du carter. 20 A cet effet, le mandrin 200 présente une surface externe 201 dont le profil correspond à la surface interne du carter à réaliser. Par son enroulement sur le mandrin 200, la texture fibreuse 140 épouse le profil de celui-ci. Le mandrin 200 comporte également deux flasques 220 et 230 pour former des parties de préforme fibreuse correspondant aux brides 25 104 et 105 du carter 100. Afin de limiter le risque de glissement de la bande de renfort 150 lors de l'enroulement de la texture fibreuse 140 sur le mandrin 200, la tension de la texture fibreuse 140 peut être limitée lors du premier tour d'enroulement de la texture fibreuse 140, puis ladite tension de la texture 30 fibreuse 140 peut être augmentée progressivement lors des tours d'enroulement supplémentaires. Selon une variante possible, la tension de la texture fibreuse 140 est augmentée de manière progressive à chaque tour. Par ailleurs, afin de limiter le risque de glissement de la bande de 35 renfort 150 sur le mandrin 200 lors de l'enroulement de la texture fibreuse 140, l'adhésion de ladite bande de renfort 150 sur le mandrin 200 peut 9 être améliorée grâce à l'application d'un adhésif, comme par exemple une résine tackifiante. Un agent démoulant peut être utilisé afin de retirer le mandrin 200 après la fabrication. La figure 4 montre une vue en coupe de la préforme fibreuse 300 5 obtenue après enroulement de la texture fibreuse 140 sur le mandrin 200 autour duquel était préalablement disposée la bande de renfort 150. Le nombre de couches ou spires est fonction de l'épaisseur désirée et de l'épaisseur de la texture fibreuse 140. Il est de préférence au moins égal à 2. Dans l'exemple décrit ici, la préforme 300 comprend 3 couches 141 à 10 143 de texture fibreuse 140 et une couche de bande de renfort 150. On obtient une préforme fibreuse 300 avec une portion de surépaisseur 310 formée par l'enroulement de la texture fibreuse 140 pardessus la bande de renfort 150. La préforme fibreuse 300 comprend également des parties d'extrémité 320, 330 correspondant aux brides 104, 15 105 du carter 100. On procède ensuite à la densification de la préforme fibreuse 300 par une matrice. La densification de la préforme fibreuse 300 consiste à combler la porosité de la préforme, dans tout ou partie du volume de celle-ci, par le 20 matériau constitutif de la matrice. La matrice peut être obtenue de façon connue en soi suivant le procédé par voie liquide. Le procédé par voie liquide consiste à imprégner la préforme fibreuse 300 par une composition liquide contenant un précurseur 25 organique du matériau de la matrice. Le précurseur organique se présente habituellement sous forme d'un polymère, tel qu'une résine, éventuellement dilué dans un solvant. La préforme fibreuse 300 est placée dans un moule pouvant être fermé de manière étanche avec un logement ayant la forme de la pièce finale moulée. Comme illustré sur la figure 5, la 30 préforme fibreuse 300 est ici placée entre une pluralité de secteurs 240 formant contre-moule et le mandrin 200 formant support, ces éléments présentant respectivement la forme extérieure et la forme intérieure du carter à réaliser. Ensuite, on injecte le précurseur liquide de matrice, par exemple une résine, dans tout le logement pour imprégner toute la partie 35 fibreuse de la préforme. 10 La transformation du précurseur en matrice organique, à savoir sa polymérisation, est réalisée par traitement thermique, généralement par chauffage du moule, après élimination du solvant éventuel et réticulation du polymère, la préforme étant toujours maintenue dans le moule ayant 5 une forme correspondant à celle de la pièce à réaliser. La matrice organique peut être notamment obtenue à partir de résines époxydes, telle que, par exemple, la résine époxyde à hautes performances vendue, ou de précurseurs liquides de matrices carbone ou céramique. Dans le cas de la formation d'une matrice carbone ou céramique, le 10 traitement thermique consiste à pyrolyser le précurseur organique pour transformer la matrice organique en une matrice carbone ou céramique selon le précurseur utilisé et les conditions de pyrolyse. A titre d'exemple, des précurseurs liquides de carbone peuvent être des résines à taux de coke relativement élevé, telles que des résines phénoliques, tandis que 15 des précurseurs liquides de céramique, notamment de SiC, peuvent être des résines de type polycarbosilane (PCS) ou polytitanocarbosilane (PTCS) ou polysilazane (PSZ). Plusieurs cycles consécutifs, depuis l'imprégnation jusqu'au traitement thermique, peuvent être réalisés pour parvenir au degré de densification souhaité. 20 Selon un aspect de l'invention, la densification de la préforme fibreuse 300 peut être réalisée par le procédé bien connu de moulage par transfert dit RTM ("Resin Transfert Moulding"). Conformément au procédé RTM, on place la préforme fibreuse dans un moule présentant la forme du carter à réaliser. Une résine thermodurcissable est injectée dans l'espace 25 interne délimité entre le mandrin 200 et les contres-moules 240. Un gradient de pression est généralement établi dans cet espace interne entre l'endroit où est injecté la résine et les orifices d'évacuation de cette dernière afin de contrôler et d'optimiser l'imprégnation de la préforme par la résine. 30 La résine utilisée peut être, par exemple, une résine époxyde. Les résines adaptées pour les procédés RTM sont bien connues. Elles présentent de préférence une faible viscosité pour faciliter leur injection dans les fibres. Le choix de la classe de température et/ou la nature chimique de la résine est déterminé en fonction des sollicitations 35 thermomécaniques auxquelles doit être soumise la pièce. Une fois la 11 résine injectée dans tout le renfort, on procède à sa polymérisation par traitement thermique conformément au procédé RTM. Après l'injection et la polymérisation, la pièce est démoulée. Au final, la pièce est détourée pour enlever l'excès REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un carter (100) en matériau composite à épaisseur variable pour une turbine à gaz, comprenant: - la réalisation par tissage tridimensionnel d'une texture fibreuse (140) sous forme d'une bande, - l'enroulement de la texture fibreuse (140) en plusieurs couches superposées (141, 142, 143) sur un mandrin (200) de profil correspondant à celui du carter à fabriquer, afin d'obtenir une préforme fibreuse (300) de 10 forme correspondant à celle du carter à fabriquer, - la densification de la préforme fibreuse (300) par une matrice, caractérisé en ce que, avant le début de l'enroulement de la texture fibreuse (140) sur le mandrin (200), une bande de renfort (150) ayant une largeur inférieure à celle de la texture fibreuse (140) est placée sur le 15 mandrin (200) dans une zone destinée à former une zone de rétention du carter (100). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la bande de renfort (150) a une section de forme trapézoïdale. 20 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel la bande de renfort (150) est une bande textile. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la bande de renfort 25 (150) est formée de fibres choisies parmi : les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres d'aramide, les fibres céramiques, et leurs mélanges. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la bande de renfort (150) est formée de fibres de verre. 30 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel la bande de renfort (150) est une nappe unidirectionnelle, une structure tissée bidirectionnelle, ou structure tissée tridimensionnelle. 35 7. Carter (100) de soufflante (1) de turbine à gaz en matériau composite ayant une épaisseur variable et comprenant une préforme 13 fibreuse qui comprend une pluralité de couches superposées (141, 142, 143) d'une texture fibreuse (140) sous forme d'une bande présentant un tissage tridimensionnel, ladite préforme fibreuse étant densifiée par une matrice, 5 caractérisé en ce qu'une bande de renfort (150) est présente sur la surface interne du carter (100), ladite bande de renfort (150) présentant une largeur inférieure à la largeur de la texture fibreuse (140) et délimitant une zone de rétention du carter. 8. Carter (100) selon la revendication 7, dans lequel la bande de renfort (150) a une section de forme trapézoïdale. 9. Carter (100) selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, dans lequel la bande de renfort (150) est une bande textile. 10. Carter (100) selon la revendication 9, dans lequel la bande de renfort (150) est formée de fibres choisies parmi : les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres d'aramide, les fibres céramiques, et leurs mélanges. 11. Carter (100) selon la revendication 10, dans lequel la bande de renfort (150) est formée de fibres de verre. 12. Carter (100) selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, 25 dans lequel la bande de renfort (150) est une structure tissée unidirectionnelle, bidirectionnelle ou tridimensionnelle. 13. Moteur aéronautique à turbine à gaz ayant un carter (100) de soufflante (1) selon l'une quelconque des revendications 7 à 12. 30 20