Brevet FR3078097A1 — publié le 20190823

AUBE DIRECTRICE DE SORTIE COMPORTANT UN ELEMENT DE STRUCTURE A BARRES La présente invention se rapporte aux stators de flux secondaire de turbomachines à double flux, et en particulier à la fabrication des aubes statiques en matériau composite de tels stators. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Les turbomachines conventionnelles à double flux peuvent comporter plusieurs types de stators. Dans la veine de flux primaire, elles comportent des stators dont les aubes, du fait de leurs dimensions réduites, sont réalisées sous la forme d'éléments métalliques monobloc ou assemblés, qui sont réalisés par un procédé de fonderie. La rigidité de ces aubes est assurée par une quantité de métal conséquente ou une géométrie 3D ajustée destinée à leur apporter la rigidité nécessaire. La problématique est différente dans le cas d'aubes de guidage ou OGV, acronyme anglo-saxon de « Outlet Guide Vanes » situées dans la veine de flux secondaire de la turbomachine, car il s'agit d'aubes de grandes dimensions pour lesquelles il n'est pas concevable de les réaliser par l'intermédiaire d'un procédé de fonderie, car les grandes quantités de métal qui seraient alors employées leur conféreraient une masse extrêmement élevée. Les aubes OGV peuvent être réalisées en matériaux composites. Il s'agit par exemple d'aubes réalisées par drapages successifs, autour d'une âme centrale réalisée en un matériau de type mousse ou nid d'abeille, de plis de tissu composite pré-imprégnés, ces plis faisant par la suite l'objet d'une opération de polymérisation. Il peut aussi s'agir d'aubes réalisées par tissage en trois dimensions de préformes en tissu à base de fibres de carbone, puis par injection de résine dans ces préformes, puis polymérisation des préformes ainsi imprégnées. 2 Toutefois, ces aubes de grandes dimensions sont soumises lors de leur utilisation à un phénomène aéro-élastique de flottement tendant à les soumettre à des vibrations particulières de torsion et de flexion. Il est souhaitable de repousser les modes propres de torsion et de flexion de ces 5 pièces à des valeurs aussi élevées que possible afin que ces vibrations ne risquent de causer la destruction de ces aubes suivant un phénomène de rupture par fatigue. EXPOSÉ DE L'INVENTION 10 L'invention a donc pour but de proposer de proposer une nouvelle conception d'aubes permettant de leur conférer une rigidité élevée en flexion et en torsion. Dans ce but, l'invention propose une aube de stator pour une 15 turbomachine, en particulier d'aéronef, comprenant au moins une plate-forme supérieure et une plate-forme inférieure entre lesquelles s'étend une pale de direction principale déterminée, au moins ladite pale étant constituée d'un élément de structure englobé dans au moins une strate d'un élément d'habillage en matériau composite, caractérisée en ce 20 que ledit élément de structure comporte au moins deux premières barres rigides, orientées toutes deux suivant la direction principale déterminée, dont des extrémités libres s'étendant au-delà de la pale sont emprisonnées à l'intérieur des plates-formes. Selon d'autres caractéristiques de l'aube : 25 - l'élément de structure comporte au moins un treillis comportant au moins deux premières barres rigides orientées suivant la direction principale déterminée et deux deuxièmes barres rigides orientées perpendiculairement à la direction principale déterminée et solidaires des premières barres rigides, 30 - la pale comporte un bord d'attaque et un bord de fuite, les premières barres sont agencées à proximité des bords d'attaque et de fuite, 3 et les deuxièmes barres sont agencées à proximité des plates-formes supérieure et inférieure, - les bords d'attaque et de fuite de ladite pale sont configurés selon des lignes de profil déterminées, et les premières barres suivent les lignes 5 de profil déterminées desdits bord d'attaque et de fuite, - au moins une des barres ou nervure oblique de renfort du treillis est d'épaisseur non constante, - le treillis comporte des nervures obliques de renfort qui relient chaque première barre avec chaque deuxième barre, à proximité de la 10 jonction desdites première et deuxième barre, - l'épaisseur des premières barres est maximale à proximité du centre de la pale, - l'épaisseur des nervures obliques de renfort est maximale à proximité des deuxièmes barres, 15 - les barres sont réalisées à partir de tubes de carbone et/ou en impression en trois dimensions d'un matériau à base de poudre métallique. L'invention concerne aussi une turbomachine à double flux, en particulier d'aéronef, comprenant un moteur entouré par un carter annulaire 20 externe délimitant une veine d'écoulement d'un flux secondaire autour dudit moteur, caractérisée en ce qu'elle comprend un étage d'aubes du type décrit précédemment, qui est monté dans ladite veine. L'invention concerne enfin un procédé de fabrication d'une aube de 25 stator du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte au moins : - une étape de fourniture de plates-formes de l'aube, et d'au moins un élément d'habillage, - une étape de fabrication d'un treillis comportant au moins deux 30 barres rigides, 4 - une étape au cours de laquelle on dispose ledit au moins un élément d'habillage en matériau composite sur lesdites barres pour former au moins une strate dudit élément d'habillage englobant lesdites barres, - une étape au cours de laquelle, l'élément en matériau composite 5 étant imprégné d'une résine, on laisse polymériser ladite résine, - une étape au cours de laquelle on insère les extrémités libres desdites barres dans des cavités complémentaires des plates-formes. 10 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite à titre d'exemple non limitatif et en 15 référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue en coupe axiale d'une turbomachine, - la figure 2 est une vue en bout d'un stator ; - la figure 3 est une vue en perspective d'une aube directrice de sortie selon l'état de la technique ; 20 - la figure 4 est une vue en transparence en perspective d'une aube directrice de sortie selon l'invention ; - la figure 5 est une vue en coupe d'une aube directrice de sortie selon l'invention ; - la figure 6 est un diagramme-bloc illustrant les étapes de 25 fabrication d'une aube directrice de sortie selon l'invention. Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires. 30 DESCRIPTION DETAILLEE 5 On a représenté à la figure 1 une turbomachine 10 à double flux pour un aéronef. De manière connue, la turbomachine 10 comporte une soufflante 12 et un moteur à turbine à gaz 14. Le moteur à turbine à gaz 14 5 comporte un compresseur basse pression 16, un compresseur haute pression 18, une chambre de combustion 20, une turbine haute pression 22, une turbine basse pression 24, et une tuyère d'échappement 26. Le rotor du compresseur haute pression 18 et le rotor de la turbine haute pression 22 sont reliés par un arbre haute pression 28 et forment avec lui 10 un corps haute pression (HP). Le rotor du compresseur basse pression 16 et le rotor de la turbine basse pression 24 sont reliés par un arbre basse pression 30 et forment avec lui un corps basse pression (BP). Le moteur à turbine à gaz 14 est traversé par un flux de gaz primaire P. Comme l'illustrent les flèches de la figure 1, la veine d'écoulement du 15 flux de gaz primaire P traverse ainsi successivement le compresseur basse pression 16, le compresseur haute pression 18, la chambre de combustion 20, la turbine haute pression 22, la turbine basse pression 24, et la tuyère d'échappement 26. Les arbres HP et BP s'étendent suivant un axe A qui est l'axe 20 longitudinal de la turbomachine 10. Dans la suite de la description, les notions de longitudinal ou radial sont relatives à cet axe A. Dans le mode de réalisation qui a été représenté à la figure 1, la turbomachine 10 comporte un carter annulaire 32 du moteur à turbine à gaz et un séparateur 34 qui circonscrit sensiblement le moteur à turbine à 25 gaz 14. Le séparateur 34 est lui-même entouré par une virole externe 36 avec laquelle il délimite une veine d'écoulement 38 d'un flux secondaire S autour du moteur à turbine à gaz 14. A ce titre, il sépare le flux primaire P du flux secondaire S. Le flux secondaire S, qui a été représenté par une 30 flèche S sur la figure 1, est produit uniquement par la soufflante 12. 6 La soufflante 12 comprend un disque de rotor 42, qui est accouplé à l'arbre basse pression 30 et qui comporte un ensemble de pales 40 s'étendant radialement vers l'extérieur à partir dudit disque 42. En fonctionnement, l'air circule à travers la soufflante 12 et est 5 divisé entre le flux d'air primaire P et le flux d'air secondaire S. Le flux d'air primaire P est comprimé par les compresseurs BP 16 et HP 18 et il alimente la chambre de combustion 20 où il est mélangé avec du carburant, puis brûlé. Les gaz de combustion chauds produits par la chambre de combustion 20 sont utilisés pour actionner les turbines HP 22 10 et BP 24. La turbine BP 24 est utilisée pour assurer l'entraînement de la soufflante 12 et du compresseur BP 16 Le flux d'air secondaire S mû par la soufflante 12 est acheminé dans la veine 38 et est mélangé aux gaz de combustion sortant de la tuyère 26 pour fournir une poussée à l'aéronef. 15 La turbomachine 10 comporte dans la veine secondaire 38, en aval de la soufflante 12, un étage 44 d'aubes directrices de sortie 48 ou "Outlet Guide Vanes" OGV, qui permettent de redresser le flux d'air S. Cet étage 44 d'aubes fait partie d'un carter intermédiaire comportant un moyeu 46 à partir duquel s'étendent radialement vers l'extérieur les aubes 48 de l'étage 20 44 ainsi que des bras de liaison 50 à la virole externe 36, qui ont été représentés aussi à la figure 2. Par exemple, comme l'illustre la vue axiale de la figure 2, les bras 50 peuvent être au nombre de deux et être diamétralement opposés. Ils sont par exemple sensiblement verticaux. 25 Comme l'illustre la figure 3, chaque aube 48 comporte une pale 52, qui comporte une face d'intrados 54 et une face d'extrados 56. Les jonctions des faces d'intrados 54 et d'extrados 56 délimitent un bord d'attaque 72 et un bord de fuite 74 de l'aube, le bord d'attaque 72 étant recouvert d'un clinquant métallique. 30 L'aube comporte également une plate-forme supérieure 58 et une plate-forme inférieure 60 entre lesquelles s'étend la pale 52 suivant une 7 direction principale déterminée D sensiblement radiale et perpendiculaire à l'axe du moteur. De manière connue, la pale 52 est constituée d'un élément de structure 62, représenté en arrachement à la figure 3, qui est englobé dans moins une strate d'un élément d'habillage 64 en matériau composite. 5 L'élément d'habillage 64 en matériau composite peut par exemple être composé de plis de tissu en fibres de carbone imprégnés de résine, superposés les uns sur les autres, et solidifiés par polymérisation de la résine d'imprégnation, ou d'un tissage en trois dimensions de fibres de carbone composite, dans lequel est injectée une résine, qui y est par la 10 suite polymérisée. Conventionnellement, l'élément de structure 62 est composé d'un seul matériau, tel qu'une mousse ou un matériau en nid d'abeille, qui assure le support des strates de l'élément d'habillage 64 et qui assure aussi un rôle de remplissage de l'aube 48. 15 Cette conception permet de résister aux sollicitations de flexion et de torsion qui s'exercent sur l'aube 48. Toutefois, elle ne répond qu'imparfaitement aux sollicitations de fatigue à laquelle l'aube 48 peut être soumise dans des conditions de fonctionnement normales. En effet, ces aubes 46 de grandes dimensions sont soumises lors 20 de leur utilisation à un phénomène de flottement aéro-élastique tendant à les soumettre à des vibrations répétées de torsion et de flexion. Il est souhaitable de repousser les modes propres de torsion et de flexion de ces pièces à des valeurs suffisamment élevées pour que ces vibrations ne risquent de causer la destruction de ces aubes par fatigue. 25 On a ainsi constaté que l'aube 48, même configurée pour que les contraintes résultant des sollicitations mécaniques de flexion et de torsion à laquelle elle est soumise restent dans le domaine élastique de celle-ci, était soumise du fait des vibrations de l'air traversant la veine 38 de flux secondaire S a des efforts répétés de flexion et de torsion, les amplitudes 30 de ces sollicitations étant d'autant plus élevées qu'elle s'exercent à une fréquence proche des modes propres de l'aube. L'application répétée de 8 ces efforts de flexion et de torsion exerçant des contraintes inférieures à la limite élastique de l'aube 48 mais répétées et de grandes amplitudes peut donc provoquer la rupture de l'aube 48. Les étapes principales de la ruine par fatigue du matériau de l'aube 48 sont le délaminage des plis du 5 matériau composite, la propagation de ce délaminage, et la rupture finale. Dans la pratique, on peut utiliser des critères aéro-élastiques afin d'éviter ces problèmes de flottement. De tels critères de flottement sont calculés pour la flexion et la torsion de l'aube 48 et s'expriment en fonction des fréquences réduites respectives du premier mode propre de torsion et 10 du premier mode propre de flexion de l'aube avec lesquelles ils sont proportionnels. Ces critères font aussi intervenir la corde du profil de l'aube et la vitesse du fluide. A l'aide de ces critères on peut fixer des valeurs minimales pour les premiers modes propres de torsion et de flexion. Il est donc souhaitable 15 d'augmenter au maximum les fréquences réduites respectives du premier mode propre de torsion et du premier mode propre de flexion de l'aube 48 de manière à avoir une certaine marge par rapport aux valeurs minimales des critères de flottement. Une solution pour repousser ces fréquences à des valeurs plus 20 élevées peut être obtenue en augmentant la rigidité de l'aube tant en flexion qu'en torsion. À cet effet, conformément à l'invention, comme l'illustre les figures 4 et 5, l'élément de structure 62 comporte au moins deux premières barres rigides 66, 68 orientées toutes deux parallèlement à la direction principale 25 déterminée D, dont des extrémités libres 76 s'étendant au-delà de la pale 52 sont emprisonnées à l'intérieur des plates-formes 58, 60. L'élément de structure 62 peut, dans sa plus simple expression (non représentée) ne présenter que deux barres 66 orientées parallèlement à la direction principale D. Ce mode de réalisation, qui n'a pas été 30 représenté, n'est pas privilégié par l'invention. 9 Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément de structure 66 comporte au moins un treillis 70 comportant au moins deux premières barres rigides 66 orientées suivant la direction principale déterminée D et deux deuxièmes barres rigides 68 supplémentaires 5 orientées perpendiculairement à la direction principale déterminée D, c'est- à-dire selon la direction transversale T. Ces deux deuxièmes barres rigides 68 sont solidaires des premières barres rigides 66. Ainsi, avantageusement le treillis 70 permet d'augmenter la rigidité de l'aube 48 en flexion suivant la direction D et en torsion autour de la 10 direction D. Le treillis 70 forme ainsi au moins un cadre permettant de repousser la valeur de fréquence des modes propres de l'aube 48 à des valeurs selon lesquelles elle n'est que peu ou pas sollicitée. Comme l'illustrent les figures 4 et 5, la pale 52 comporte, comme on l'a vu, un bord d'attaque 72 et un bord de fuite 74. De préférence, les 15 premières barres 66 sont agencées à proximité des bords d'attaque 72 et de fuite 74, et les deuxièmes barres 68 sont agencées à proximité des plates-formes supérieure 58 et inférieure 60. Cette configuration permet de conférer au treillis une couverture maximale du volume de la pale 52, et donc de tenir la rigidité maximale de cette pale 52. 20 Comme cela est souvent le cas pour les aubes OGV, les bords d'attaque 72 et de fuite 74 de la pale 52 sont configurés selon des lignes Li, L2 de profil déterminé qui ont été représentés à la figure 5. Ces lignes Li, L2 permettent d'adapter le profil de la pale 52 aux différentes couches de flux S à l'intérieur de la veine 38. Avantageusement, comme l'illustre la 25 figure 5, les premières barres 66 suivent les lignes de profil Li et L2 de ces bord d'attaque 72 et bord de fuite 74. Ainsi, on garantit une rigidité optimale de la pale 52 le long de ces bord d'attaque 72 et bord de fuite 74. Comme on l'a vu, des extrémités libres des premières barres s'étendent au-delà de la pale et sont emprisonnées à l'intérieur des plates- 30 formes supérieure 58 et inférieure 60. 10 A cet effet, les plates-formes supérieures 58 et inférieure 60 comportent des cavités 77 destinées à recevoir ces extrémités libres 76. Cette configuration permet d'enraciner la pale 52 dans les plates-formes supérieures 58 et inférieure 60 et donc d'augmenter encore sa rigidité, 5 notamment en torsion. Le treillis 70 n'est de préférence pas limité aux seules premières barres 66 et deuxièmes barres 68, qui constitue la configuration de base de ce treillis. De préférence, comme l'illustre la figure 5, le treillis 70 comporte des nervures obliques de renfort 78 qui relient chaque première barre 66 10 avec chaque deuxième barre 68, à proximité de la jonction 80 des premières barres 66 et deuxièmes barres 68. Comme on le comprend, c'est à proximité des bords du treillis 70 que celui-ci est le plus rigide. Par conséquent, il est souhaitable d'augmenter sa rigidité dans les zones les plus éloignées de ses bords. À 15 cet effet, l'épaisseur des premières barres 66 n'est pas constante. De préférence, l'épaisseur des premières barres 66 est maximale à proximité du centre de la pale 52, c'est-à-dire sensiblement au milieu de ses premières barres 66. L'épaisseur des deuxièmes barres 68 peut également n'être pas 20 constante. Il peut donc être envisagé une configuration selon laquelle l'épaisseur des deuxièmes barres 68 est maximale à proximité du centre de la pale 52. Toutefois, de préférence, la rigidité des deuxièmes barres 68 est améliorée à l'aide des nervures obliques de renfort 70, dont l'épaisseur 25 peut également n'être pas constante. Ainsi, on améliore la rigidité des deuxièmes barres 68 en conférant aussi une épaisseur accrue aux nervures obliques 70 de renfort à proximité des deuxièmes barres 68. Tout procédé de fabrication permettant de tenir une rigidité satisfaisante du treillis 70 peut convenir pour sa fabrication. De préférence, 30 pour des considérations de poids, les premières barres 66, deuxièmes barres 68, et barres de renfort 78 sont réalisées à partir de tubes de 11 carbone ou par un procédé de fabrication additive à partir d'un matériau à base de poudre métallique. Cette configuration permet notamment d'envisager une structure tubulaire des barres 66, 68, 78 et par conséquent d'alléger le poids de l'ensemble du treillis 70. 5 Pour obtenir une aube 48 du type précédemment décrit, on met en oeuvre un procédé de fabrication selon les étapes qui ont été représentées à la figure 6. Selon une première étape ET1, on fournit les plates-formes supérieures 58 et inférieure 60 de l'aube 58 et au moins un élément 10 d'habillage 64. Cet élément d'habillage 64 peut être un tissu pré-imprégné en résine 64, par exemple lorsqu'il s'agit de multiples plis de tissu en deux dimensions de fibre de carbone, ou faire l'objet d'une injection de résine à un stade ultérieur du procédé, par exemple lorsqu'il s'agit d'un tissage en trois dimensions de fibre de carbone. 15 Puis, au cours d'une étape ET2, on fabrique un treillis 70 comportant au moins deux premières barres rigides 66, deux deuxièmes barres rigides 68, et préférablement quatre barres de renfort 78. Ce treillis 70 est réalisé par exemple par un procédé de fabrication additive. Puis, au cours d'une étape ET3 on dispose l'élément d'habillage 64 20 en matériau composite sur les barres 68, 70, et 78 pour former au moins une strate de l'élément d'habillage 64 sur les barres 66, 68 et 70. Selon que l'élément d'habillage 64 est ou non pré-imprégné, on injecte alors éventuellement une résine dans l'élément d'habillage 64. Puis, au cours d'une étape ET4, l'élément d'habillage 64 étant imprégné d'une 25 résine, on laisse polymériser ladite résine. Puis, au cours d'une étape ET5, on insère les extrémités libres 76 des premières barres 66 dans les cavités complémentaires 77 des plates-formes supérieure 58 et inférieure 60. On obtient ainsi une aube 52 brute pouvant éventuellement être 30 usinée pour en parfaire les finitions au cours d'une étape ET6. 12 L'invention permet donc de proposer un étage d'aubes 48 OGV permettant d'équiper une turbomachine à double flux d'aéronef dont un moteur est entouré par un carter annulaire externe 36 et comprenant un étage d'aubes 44 du type décrit précédemment, REVENDICATIONS1. Aube (48) de stator pour une turbomachine (10), en particulier d'aéronef, comprenant au moins une plate-forme supérieure (58) et une plate-forme inférieure (60) entre lesquelles s'étend une pale (52) de direction principale (D) déterminée, au moins ladite pale étant constituée d'un élément de structure (62) englobé dans au moins une strate d'un élément d'habillage (64) en matériau composite, caractérisée en ce que ledit élément de structure (62) comporte au moins deux premières barres rigides (66), orientées toutes deux suivant la direction principale déterminée (D) dont des extrémités libres (76) s'étendant au-delà de la pale (52) sont emprisonnées à l'intérieur des plates-formes (58, 60). 2. Aube (48) de stator selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'élément de structure (62) comporte au moins un treillis (70) comportant les deux premières barres rigides (66) orientées suivant la direction principale (D) déterminée et deux deuxièmes barres rigides (68) supplémentaires orientées perpendiculairement à la direction principale déterminée (D) et solidaires des premières barres rigides (66). 3. Aube (48) de stator selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ladite pale (52) comporte un bord d'attaque (72) et un bord de fuite (74), en ce que les premières barres (66) sont agencées à proximité des bords d'attaque (72) et de fuite (74), et en ce que les deuxièmes barres (68) sont agencées à proximité des plates-formes supérieure (58) et inférieure (60). 4. Aube (48) de stator selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les bords d'attaque (72) et de fuite (74) de ladite pale (52) sont configurés selon des lignes de profil (L1, L2) déterminées, et en ce que les premières barres (66) suivent les lignes de profil (L1) déterminées desdits bord d'attaque (72) et de fuite (74). 14 5. Aube (48) de stator selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le treillis (70) comporte des nervures obliques (78) de renfort qui relient chaque première barre (66) avec chaque deuxième barre (68), à proximité de la jonction desdites première barre (66) et 5 deuxième barre (68). 6. Aube (48) de stator selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'au moins une des barres (66, 68) ou nervure oblique de renfort (78) du treillis est d'épaisseur non constante. 7. Aube (48) de stator selon la revendication 6, caractérisée en ce 10 que l'épaisseur des premières barres (66) est maximale à proximité du centre de la pale (52). 8. Aube (48) de stator selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que l'épaisseur des nervures obliques de renfort (78) est maximale à proximité des deuxièmes barres (68). 15 9. Turbomachine (10) à double flux, en particulier d'aéronef, comprenant un moteur entouré par un carter annulaire externe (36) délimitant une veine d'écoulement (38) d'un flux secondaire (S) autour dudit moteur, caractérisée en ce qu'elle comprend un étage (44) d'aubes (48) selon l'une des revendications précédentes, qui est monté dans ladite veine 20 (38). 10. Procédé de fabrication d'une aube (48) de stator selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il comporte au moins : - une étape (ET1) de fourniture de plates-formes (58, 60) de l'aube (48), et d'au moins un élément (64) d'habillage, 25 - une étape (ET2) de fabrication d'un treillis (70) comportant au moins deux barres rigides (66), - une étape (ET3) au cours de laquelle on dispose ledit au moins un élément d'habillage (64) en matériau composite sur lesdites barres (66) pour former au moins une strate dudit élément d'habillage (64) englobant 30 lesdites barres (66), 15 - une étape (ET4) au cours de laquelle, l'élément (64) en matériau composite étant imprégné d'une résine, on laisse polymériser ladite résine, - une étape (ET5) au cours de laquelle on insère les extrémités libres (76) desdites barres (66) dans des cavités complémentaires (77) des 5 plates-formes (58, 60).