Brevet FR3085415A1 — publié le 20200306

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne une aube comprenant une structure en matériau composite. L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, une aube destinée à être utilisée dans un rotor de soufflante non-carénée de moteur d'aéronef (tels qu'un moteur de type « Open Rotor » présentant deux hélices tournantes ou un moteur de type USF pour « Unducted Single Fan » présentant un aubage mobile et un aubage fixe ou un turbopropulseur présentant une architecture avec une seule hélice) ou dans un rotor d'éolienne. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE L'intérêt des moteurs à soufflante non-carénée est que le diamètre de la soufflante n'est pas limité par la présence d'un carénage, de sorte qu'il est possible de concevoir un moteur présentant un fort taux de dilution, et par conséquent une consommation réduite de carburant. Ainsi, dans ce type de moteur, les aubes de la soufflante peuvent présenter une grande envergure. De plus, ces moteurs comprennent généralement un mécanisme zo permettant de modifier l'angle de calage des aubes afin d'adapter la poussée générée par la soufflante en fonction des différentes phases de vol. Cependant, la conception de telles aubes nécessite de prendre en compte des contraintes antagonistes. D'un côté, le dimensionnement de ces aubes doit permettre des 25 performances aérodynamiques optimales (maximiser le rendement et fournir la poussée tout en minimisant les pertes). L'amélioration des performances aérodynamiques de la soufflante tend vers une augmentation du taux de dilution (BPR, acronyme anglais de bypass ratio), ce qui se traduit par une augmentation du diamètre externe et donc de l'envergure de ces aubes. 30 D'un autre côté, il est également nécessaire de garantir une résistance aux contraintes mécaniques pouvant s'exercer sur ces aubes tout en limitant leur signature acoustique. 2 Par ailleurs, sur les architectures à soufflante non-carénée, le démarrage du moteur est généralement effectué avec un calage très ouvert. En effet, un calage très ouvert permet de consommer la puissance par le couple, ce qui assure la sécurité machine en garantissant des régimes 5 soufflante faibles. Or, avec un calage très ouvert, les aubes subissent un écoulement aérodynamique turbulent, complètement décollé, qui génère une excitation vibratoire large bande. En particulier sur des aubes à large corde et de grande envergure, l'effort de flexion est intense bien que le régime moteur ne soit 10 pas maximal. En fonctionnement normal, durant les phases au sol et en vol, le calage est modifié (l'angle de calage est plus fermé). L'écoulement aérodynamique est donc parfaitement sain (recollé au profil aérodynamique). Les sollicitations large bande disparaissent, le régime de rotation étant plus 15 élevé, et l'effort de flexion est maitrisé. Actuellement, ces aubes sont généralement réalisées en matériau métallique. Si les aubes en matériau métallique ont une bonne résistance mécanique, elles présentent toutefois l'inconvénient d'avoir une masse relativement importante. Afin de réduire cette masse, il est souhaitable de pouvoir fabriquer ces aubes en matériau composite. Toutefois, les efforts aérodynamiques intenses auxquels ces aubes seraient soumises risqueraient d'endommager l'aube et/ou le moyeu dans la zone d'interface entre ces aubes et le moyeu du rotor de la soufflante. Ce problème se pose plus particulièrement lorsque les aubes sont reliées au moyeu par le biais d'attaches brochées. RESUME DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est donc de proposer une aube comprenant une structure en matériau composite, adaptée pour être utilisée avec un 30 mécanisme de calage variable, tout en étant capable de résister à des efforts aérodynamiques intenses. 3 Pour cela, l'invention propose une aube, notamment une aube d'un rotor d'une turbomachine, comprenant : - une structure en matériau composite comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel et une matrice dans laquelle est noyé le s renfort fibreux, la structure en matériau composite comprenant une pale à profil aérodynamique, un pied d'aube et une échasse s'étendant entre la pale et le pied d'aube, - une attache de pied d'aube comprenant une embase dans laquelle est formée une alvéole configurée pour recevoir le pied d'aube, 10 - deux plateformes, s'étendant de part et d'autre de la pale, et - une coque, rapportée et fixée sur le pied d'aube de sorte à venir en appui avec serrage contre le pied et l'échasse en englobant le pied de l'aube. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de l'aube 15 sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : - la coque est réalisée dans l'un au moins des matériaux suivants : un alliage à base d'acier, un alliage à base de titane. - la coque présente une épaisseur comprise entre 4 mm et 6 mm lorsqu'elle est en alliage à base de titane et entre 2 mm et 3 mm lorsqu'elle zo est en alliage à base d'acier. - la coque s'étend en outre entre les plateformes et l'échasse, un ou plusieurs joints pouvant être positionné entre la coque et chaque plateforme. la coque est monolithique avec les plateformes. la coque comprend une paroi axiale interne, configurée pour s'étendre 25 entre le pied et un fond de l'alvéole, et deux parois radiales s'étendant de part et d'autre de la paroi axiale interne et configurées pour venir en contact avec une face intrados et une face extrados du pied et de l'échasse. - la paroi axiale interne de la coque présente deux lignes d'inflexion sensiblement parallèles de sorte à former deux lobes, la coque étant en 30 contact avec le fond de l'alvéole au niveau d'un sommet des lobes. 4 - l'aube comprend en outre une cale, s'étendant entre la coque et le fond de l'alvéole. Selon un deuxième aspect, l'invention propose également un rotor s d'une soufflante d'un moteur, ledit rotor comprenant un moyeu et des aubes s'étendant radialement à partir du moyeu, les aubes étant comme décrites ci-dessus. Dans une forme de réalisation, chaque aube du rotor est montée rotative par rapport au moyeu autour d'un axe de calage respectif, et le rotor 10 comprend en outre un mécanisme d'actionnement propre à être commandé pour faire tourner les aubes autour de leurs axes de calage de manière à modifier l'angle de calage des aubes. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 15 D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure 1 représente de manière schématique un exemple de moteur zo incluant une soufflante non-carénée/ La figure 2 représente de manière schématique une aube de soufflante et un mécanisme d'actionnement permettant de modifier l'angle de calage des aubes de la soufflante. La figure 3 est une vue en coupe partielle schématique d'un exemple 25 d'aube conforme à un mode de réalisation de l'invention et d'un exemple d'attache associé. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Sur la figure 1, le moteur 1 représenté est un moteur de type « Open Rotor », en configuration couramment qualifiée de « pusher » (i.e. la soufflante est placée à l'arrière du générateur de puissance avec une entrée d'air située sur le côté, à droite sur la figure 1). 5 Le moteur comprend une nacelle 2 destinée à être fixée à un fuselage d'un aéronef, et une soufflante 3 non-carénée. La soufflante 3 comprend deux rotors de soufflante contrarotatifs 4 et 5. Autrement dit, lorsque le moteur 1 est en fonctionnement, les rotors 4 et 5 sont entrainés en rotation par rapport 5 à la nacelle 2 autour d'un même axe de rotation X (qui coïncide avec un axe principal du moteur), en sens opposés. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, le moteur 1 est un moteur de type « Open Rotor », en configuration « pusher », à rotors de soufflante contrarotatifs. Cependant, l'invention n'est pas limitée à cette configuration. 10 L'invention s'applique également à des moteurs de type « Open Rotor », en configuration « puller » (i.e. la soufflante est placée en amont du générateur de puissance avec une entrée d'air située avant, entre ou juste derrière les deux rotors de soufflante). En outre, l'invention s'applique également à des moteurs présentant 15 des architectures différentes, telles qu'une architecture comprenant un rotor de soufflante comprenant des aubes mobiles et un stator de soufflante comprenant des aubes fixes, ou bien un unique rotor de soufflante. L'invention est applicable à des architectures de type turbopropulseur (comprenant un unique rotor de soufflante). 20 Sur la figure 1, chaque rotor de soufflante 4, 5 comprend un moyeu 6 monté rotatif par rapport à la nacelle 2 et une pluralité d'aubes 7 fixées au moyeu 6. Les aubes 7 s'étendent sensiblement radialement par rapport à l'axe de rotation X du moyeu. 25 Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du gaz dans le rotor 4, 5 et à travers la turbomachine. Par ailleurs, on appelle axe X du rotor 4, 5, son axe de rotation. La direction axiale correspond à la direction de l'axe X et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe et passant par lui. Par ailleurs, la 30 direction circonférentielle correspond à une direction perpendiculaire à l'axe X et ne passant pas par lui. Sauf précision contraire, interne et externe, respectivement, sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que 6 la partie ou la face interne d'un élément est plus proche de l'axe X que la partie ou la face externe du même élément. Comme illustré sur la figure 2, la soufflante 3 comprend en outre un mécanisme d'actionnement 8 permettant de modifier collectivement l'angle 5 de calage des aubes des rotors, afin d'adapter les performances du moteur aux différentes phases de vol. A cet effet, chaque aube 7 comprend une pièce d'attache 9 disposée en pied d'aube. La pièce d'attache 9 est montée rotative par rapport au moyeu 6 autour d'un axe de calage Y. Plus précisément, la pièce d'attache 9 est montée rotative à l'intérieur d'un logement 10 ménagé 10 dans le moyeu 6, par l'intermédiaires de billes 11 ou d'autres éléments roulants. Le mécanisme d'actionnement 8 comprend un actionneur 12 comprenant un corps 13 fixé au moyeu 6 et une tige 14 propre à être entrainée en translation par rapport au corps 12. Le mécanisme 15 d'actionnement 8 comprend en outre une glissière annulaire 15 montée solidaire de la tige 14 et un pion 16 monté solidaire de la pièce d'attache 9. Le pion 16 est propre à coulisser dans la glissière 15 et à tourner par rapport à la glissière 15, de manière à convertir un mouvement de translation de la tige 14 est un mouvement de rotation de la pièce d'attache 9, et par 20 conséquent un mouvement de rotation de l'aube 7 par rapport au moyeu 6 autour de son axe de calage Y. L'aube 7 est une structure en matériau composite comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel et une matrice dans laquelle 25 est noyé le renfort fibreux. Cette structure en matériau composite comprend un pied 16, une échasse 17 et une pale 18 à profil aérodynamique. Le renfort fibreux peut être formé à partir d'une préforme fibreuse en une seule pièce obtenue par tissage tridimensionnel ou multicouche avec épaisseur évolutive. Il peut notamment comprendre des fibres en carbone, 30 en verre, aramide et/ou céramique. La matrice quant à elle est typiquement une matrice polymère, par exemple époxyde, bismaléimide ou polyimide. L'aube 1 est alors formée par moulage au moyen d'un procédé d'injection 7 sous vide de résine du type RTM (pour « Resin Transfer Moulding), ou encore VARRTM (pour Vacuum Resin Transfer Molding). La pale 18 de l'aube 7 présente en outre un bord d'attaque qui correspond à la partie antérieure du profil aérodynamique qui fait face au flux 5 d'air et qui divise l'écoulement d'air en un écoulement d'intrados et en un écoulement extrados, un bord de fuite qui correspond à la partie postérieure du profil aérodynamique, un intrados et un extrados. Enfin, on désignera par face intrados et face extrados du pied ou de l'échasse la face du pied ou de l'échasse qui s'étend dans le prolongement 10 de l'intrados et de l'extrados de la pale, respectivement. Chaque logement 10 reçoit une attache 9 pivotante d'une aube 7. Le pied 16 de l'aube 7 est retenu dans l'attache 9, l'échasse 17 et la pale 18 s'étendant hors du moyeu 6. L'attache 9 comprend, de manière connue en 15 soi, deux flancs 20 opposés symétriques et inclinés qui délimitent une alvéole 22 de brochage dans laquelle le pied 16 de l'aube 7 est retenu. Le pied 16 est généralement plus large que le reste de la pale 18. Les flancs 20 sont donc inclinés l'un vers l'autre et forment des portées. L'attache 9 peut être réalisée, de manière conventionnelle, en acier ou zo en titane. Deux plateformes 24 sont en outre fixées sur l'attache 9 de part et d'autre de la pale 18 et couvrent l'alvéole 22 de sorte à reconstituer la veine d'écoulement du rotor 4, 5. Les plateformes 24 peuvent être réalisées soit en matériau composite, soit en métal. 25 Le cas échéant, une cale 21 peut en outre être montée entre le pied et le fond de l'alvéole 22. Comme indiqué plus haut, la partie de pied 16 d'aube 7 est destinée à permettre la fixation de l'aube 7 à l'attache 9 et s'étend à cet effet entre le 30 fond de l'alvéole 22 et la sortie des portées. La partie de pale 18 à profil aérodynamique quant à elle est propre à être placée dans un flux d'air, lorsque le moteur est en fonctionnement, afin de générer une portance. Enfin, 8 l'échasse 17 correspond à la zone de la pale 18 qui s'étend entre le pied 16 et la pale 18, c'est-à-dire entre la sortie des portées et les plateformes 24. L'aube 7 comprend en outre une coque 30, rapportée et fixée sur le s pied 16 de l'aube de sorte à venir en appui avec serrage contre le pied 16 et l'échasse 17 en englobant le pied de l'aube 7. La coque 30 est de préférence en contact direct avec le pied 16 de l'aube 7 et s'étend donc entre le pied 16 et la cale 21. La coque 30 est donc en contact avec le fond de l'alvéole 22 via la cale 21. 10 La coque 30 est métallique, par exemple dans un alliage à base de titane ou un alliage à base d'acier, de sorte à raidir le pied 16 de l'aube 7 au-dessus des portées et limiter ainsi les déplacements induits par les vibrations de flexion de l'aube 7. La coque 30 joue donc le rôle d'un support reprenant les efforts intenses issus de l'aérodynamique lorsque l'écoulement est 15 décollé (par exemple dans le cas où l'angle de calage est très ouvert, comme au démarrage). Pour cela, la coque 30 comprend une paroi axiale interne 32, configurée pour s'étendre entre le pied 16 et un fond 23 de l'alvéole 22, et deux parois radiales 34 s'étendant de part et d'autre de la paroi axiale interne zo 32 et configurées pour venir en contact avec la face intrados et la face extrados du pied 16 et de l'échasse 17. La coque 30 présente en outre une face interne 30a, qui s'étend en regard de l'aube, et une face externe 30b qui est opposée à la face interne 30 et est en contact notamment avec les portées de l'attache 9, ainsi qu'une 25 épaisseur e qui correspond à la distance minimale entre la face interne et la face externe. L'épaisseur e de la coque 30 est comprise entre 4 mm et 6 mm lorsqu'elle est en alliage à base de titane et entre 2 mm et 3 mm lorsqu'elle est en alliage à base d'acier, afin d'assurer un raidissement suffisant du pied 16 de l'aube 7 et limiter ainsi les déplacements induits par les vibrations de 30 flexion. Les parois radiales 34 de la coque 30 sont dimensionnées (en épaisseur, en fonction de leur matériau constitutif, et en géométrie) de sorte 9 que leur montage serré contre le pied 16 et l'échasse 17 de l'aube 7 a pour effet d'exercer un effort sur l'aube 7 à l'arrêt et pendant toutes les phases de vol. C'est en effet ce contact surfacique avec serrage qui permet de raidir l'aube 7 en ajoutant des points d'appui supplémentaires à distance de 5 l'attache 9. Dans une forme de réalisation, afin d'empêcher le rotulage du pied 16 de l'aube 7, la paroi axiale interne 32 de la coque 30 présente deux lignes d'inflexion sensiblement parallèles de sorte à former deux lobes 33. La coque 10 30 est alors en contact avec le fond 23 de l'alvéole 22 au niveau d'un sommet des lobes 33. Ces lobes 33 permettent d'améliorer le transfert des efforts depuis l'appui du pied 16 sur la coque 30 jusqu'aux appuis de la coque 30 sur la cale 21, ainsi que l'amortissement mécanique en augmentant la dissipation des éventuelles vibrations grâce aux multiples interfaces. 15 En variante, la forme de la coque 30 est sensiblement identique à la forme du pied 16 et de l'échasse 17, de sorte que la coque 30 est sensiblement plaquée contre le pied 16 et l'échasse 17 sur toute sa face interne. 20 Les parties radiales 34 de la coque 30, qui sont en contact avec l'échasse 17, travaillent en flexion et permettent ainsi de réduire les déplacements latéraux de l'échasse 17. L'interface entre la pale 18 et les plateformes 24 est donc saine. Afin de réduire encore les déplacements latéraux, la hauteur h de 25 l'échasse 17 (entre la sortie des portées et les plateformes 24) peut être augmentée en comparaison avec une aube 7 standard. Cette augmentation de hauteur h pourra être réalisée par optimisations successives en tenant compte notamment de la rigidité de la coque 30 (qui dépend de son épaisseur e et de son matériau constitutif). En effet, l'augmentation de la hauteur h de 30 l'échasse 17, et donc potentiellement de la hauteur des parois radiales de la coque 30, augmente les difficultés pour enfiler la coque 30 sur l'aube 7 10 puisque celle-ci doit être fixée avec serrage contre l'échasse 17 et le pied 16 et que ses parois radiales 34 présentent donc un retour élastique important. Afin d'assembler le rotor 4, 5 de soufflante, pour chaque attache 9 et 5 chaque aube 7, une cale 21 peut, de manière usuelle, être montée dans le fond de l'alvéole 22. Une coque 30 est montée sur le pied 16 de chaque aube 7. Le montage de la coque 30 devant être serré, il est par exemple possible d'écarter, de préférence avec un outil adapté, les parois radiales 34 de la lo coque 30 afin de permettre l'insertion du pied 16 et de l'échasse 17 de l'aube 7, puis de les relâcher de sorte que, par retour élastique, les parois radiales 34 viennent se plaquer contre l'aube 7. Les aubes 7, équipées de leur coque 30, peuvent ensuite être insérées par-dessus la cale 21 placées préalablement dans l'alvéole 22 15 correspondante. La coque 30 n'est donc pas collée contre l'aube 7. Les plateformes 24 sont ensuite rapportées et fixées sur l'attache 9 ou le moyeu 6 de manière conventionnelle. Comme cela est visible sur la figure 3, dans une forme de réalisation, les parois radiales 34 de la coque 30 peuvent s'étendre jusqu'aux plateformes 20 24. Dans ce cas, un joint 36 peut être positionné entre les parois radiales 34 de la coque 30 et la plateforme 24 associée de sorte à garantir un contact continu entre la plateforme 24 et la coque 30 et limiter ainsi les risques de fuites d'air de la veine d'écoulement vers le moyeu 6 et donc les pertes aérodynamiques. Le joint 36 peut par exemple être fixé sur l'arête 25 des 25 plateformes 24 qui vient en appui contre l'échasse 17 ou sur la face externe 30b des parois radiales 34 de la coque 30, au niveau de leur interface avec la plateforme 24 associée. Dans l'exemple de la figure 3, le joint 28 est positionné de sorte à recouvrir le bord libre 35 des parois radiales 34 de la coque 30 et à s'étendre jusqu'à l'échasse 17, et les arêtes 25 des plateformes 30 24 prennent appui sur la face du joint 28. 11 Le cas échéant, un joint d'amortissement (non visible sur les figures) peut en outre être positionné entre le bord libre 35 la paroi radiale de la coque 30 et l'aube 7 afin de garantir un contact continu entre la coque 30 et l'aube 7 malgré d'éventuelles petites déformations et de limiter ainsi l'apparition de s jeux. Ce joint d'amortissement permet ainsi de limiter les pertes aérodynamiques susceptibles de diminuer le rendement du rotor 4, REVENDICATIONS1. Aube (7), notamment aube (7) d'un rotor (4, 5) d'une turbomachine, comprenant : - une structure en matériau composite comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel et une matrice dans laquelle est noyé le renfort fibreux, la structure en matériau composite comprenant une pale (18) à profil aérodynamique, un pied (16) d'aube (7) et une échasse (17) lo s'étendant entre la pale (18) et le pied (16) d'aube (7), - une attache (9) de pied (16) d'aube (7) comprenant une embase dans laquelle est formée une alvéole ( 22) configurée pour recevoir le pied (16) d'aube (7), et - deux plateformes (24), s'étendant de part et d'autre de la pale (18), 15 l'aube (7) étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une coque (30), rapportée et fixée sur le pied d'aube de sorte à venir en appui avec serrage contre le pied (16) et l'échasse (17) en englobant le pied de l'aube (7). 2. Aube (7) selon la revendication 1, dans laquelle la coque (30) est 20 réalisée dans l'un au moins des matériaux suivants : un alliage à base d'acier, un alliage à base de titane. 3. Aube (7) selon la revendication 2, dans laquelle la coque (30) présente une épaisseur (e) comprise entre 4 mm et 6 mm lorsqu'elle est en 25 alliage à base de titane et entre 2 mm et 3 mm lorsqu'elle est en alliage à base d'acier. 4. Aube (7) selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la coque (30) s'étend en outre entre les plateformes (24) et l'échasse (17), un ou 30 plusieurs joints (36) pouvant être positionné entre la coque (30) et chaque plateforme (24). 13 5. Aube (7) selon l'une des revendications 1 à 3 , dans laquelle la coque (30) est monolithique avec les plateformes (24). 6. Aube (7) selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle la coque (30) comprend une paroi axiale interne (32), configurée pour s'étendre entre le pied (16) et un fond (23) de l'alvéole (22), et deux parois radiales (34) s'étendant de part et d'autre de la paroi axiale interne (32) et configurées pour venir en contact avec une face intrados et une face extrados du pied (16) et de l'échasse (17). 7. Aube (7) selon la revendication 6, dans laquelle la paroi axiale interne (32) de la coque (30) présente deux lignes d'inflexion sensiblement parallèles de sorte à former deux lobes (33), la coque (30) étant en contact avec le fond (23) de l'alvéole (22) au niveau d'un sommet des lobes (33). 8. Aube (7) selon l'une des revendications 6 ou 7, comprenant en outre une cale (21), s'étendant entre la coque (30) et le fond (23) de l'alvéole (22). 9. Rotor (4, 5) d'une soufflante d'un moteur, ledit rotor comprenant un 20 moyeu (6) et des aubes (7) s'étendant radialement à partir du moyeu (6), les aubes (7) étant conformes à l'une des revendications 1 à 8. 10. Rotor (4, 5) selon la revendication 9, dans lequel chaque aube (7) est montée rotative par rapport au moyeu (6) autour d'un axe de calage (Y) 25 respectif, le rotor (4, 5) comprenant en outre un mécanisme d'actionnement (8) propre à être commandé pour faire tourner les aubes (7) autour de leurs axes de calage (Y) de manière à modifier l'angle de calage des aubes (7). 10 15