Brevet FR3100471A1 — publié le 20210312

Préforme pour aube composite Préforme fibreuse pour une aube composite ainsi qu’une aube composite formée au moyen d’une telle préforme, un rotor et une machine tournante comprenant une telle aube, la préforme comprenant un premier tronçon longitudinal (51), configuré pour former un pied d’aube, et un deuxième tronçon longitudinal (52), s’étendant à partir du premier tronçon longitudinal (51), configuré pour former une portion d’une partie de pale, dans lequel le premier tronçon longitudinal (51) possède à son extrémité supérieure (53) une première épaisseur et, dans lequel le deuxième tronçon longitudinal (52) comporte au moins une zone de retrait (56) possédant une épaisseur au moins trois fois inférieure à la première épaisseur, ladite zone de retrait (56) occupant au moins 50% du deuxième tronçon longitudinal (52). Figure pour l’abrégé : Fig. 4. Préforme pour aube composite Le présent exposé concerne une préforme fibreuse pour une aube composite ainsi qu’une aube composite formée au moyen d’une telle préforme, un rotor et une machine tournante comprenant une telle aube. Une telle préforme peut être utilisée pour réaliser des aubes de grande envergure bénéficiant d’une masse réduite. De telles aubes peuvent être notamment des aubes d’hélice ou de soufflante d’un turboréacteur d’avion par exemple. Dans un turboréacteur à double flux, dans un turboréacteur à soufflante non carénée (couramment appelé open rotor), ou encore dans un turbopropulseur, la poussée et le rendement du moteur augmentent avec le diamètre de la soufflante ou de l’hélice. En conséquence, la tendance actuelle est d’augmenter autant que possible ce diamètre. Toutefois, on comprend qu’une telle augmentation de diamètre du rotor entraîne mécaniquement une augmentation de la masse de la machine tournante, en raison bien entendu de l’accroissement de la taille des aubes, mais également de l’ensemble des structures mécaniques du rotor et, le cas échéant, des structures du stator destinées à retenir les aubes en cas d’avarie. De plus, cette augmentation du diamètre du rotor entraîne d’importantes problématiques de tenue mécanique. En particulier, l’accroissement des envergures des aubes tend à abaisser les fréquences propres de ces aubes, ce qui nécessite d’augmenter sensiblement leur épaisseur afin de relever ces fréquences propres, augmentant encore la masse des aubes. La transition technologique ayant mené au remplacement des anciennes aubes métalliques par des aubes composites a contribué à réduire la masse des rotors de turboréacteurs ; toutefois, compte tenu des exigences toujours plus strictes en matière de consommation notamment, il est souhaité d’aller encore plus loin dans la réduction de la masse de ces aubes. Il existe donc un réel besoin pour une préforme fibreuse pour une aube composite ainsi qu’une aube composite formée au moyen d’une telle préforme, un rotor et une machine tournante comprenant une telle aube, qui bénéficient d’une masse encore réduite. Le présent exposé concerne une préforme pour aube composite, obtenue par tissage tridimensionnel, comprenant un premier tronçon longitudinal, configuré pour former un pied d’aube, et un deuxième tronçon longitudinal, s’étendant à partir du premier tronçon longitudinal, configuré pour former une portion d’une partie de pale, dans lequel le premier tronçon longitudinal possède à son extrémité supérieure une première épaisseur et, dans lequel le deuxième tronçon longitudinal comporte au moins une zone de retrait possédant une épaisseur au moins trois fois inférieure à la première épaisseur, la surface totale de la zone de retrait occupant au moins 50% de la surface du deuxième tronçon longitudinal. Ainsi, la préforme possède un pied structural et une partie de pale munie d’un renfoncement dans la surface latérale de la préforme : il est alors possible de rapporter dans ce renfoncement un matériau possédant une densité encore plus faible que celle de la préforme, afin d’obtenir une aube composite dont la masse est inférieure à celle d’une aube équivalente selon la technique antérieure. En particulier, les inventeurs ont déterminé que ce type d’aube de grande envergure travaille principalement en flexion, de telle sorte que la peau de l’aube, c’est-à-dire sa partie la plus externe, joue un rôle mécanique beaucoup plus important que son cœur, c’est-à-dire sa partie la plus interne. Dès lors, une telle préforme permet de conserver une structure tissée 3D, apportant une très bonne tenue mécanique, dans les zones de l’aube les plus chargées mécaniquement : son pied, et au moins une partie de sa peau. A l’inverse, une telle préforme permet de mettre en place un matériau plus léger, généralement moins résistant mécaniquement, dans les zones de l’aube les moins chargées mécaniquement : essentiellement son cœur et une portion minoritaire de sa peau. Ainsi, il est possible d’obtenir une aube plus légère pratiquement sans affaiblir, en pratique, sa tenue mécanique. Dès lors, il est possible de réaliser des aubes de très grande envergure, permettant de former des rotors de très grands diamètres. Dans certains modes de réalisation, la zone de retrait possède une épaisseur au moins trois fois inférieure, de préférence au moins cinq fois inférieure, à la première épaisseur. Le renfoncement formé est ainsi de plus grande taille, ce qui permet de réduire d’autant la masse de l’aube finale. Dans certains modes de réalisation, la zone de retrait possède une épaisseur inférieure à 7,5 mm, de préférence inférieure à 6 mm. Les inventeurs ont en effet déterminé qu’il était possible de réduire l’épaisseur de la peau jusqu’à de telles valeurs tout en conservant une tenue en flexion satisfaisante pour l’aube finale. Dans certains modes de réalisation, la zone de retrait possède une épaisseur supérieure à 4,5 mm. Les inventeurs ont en effet déterminé qu’une telle épaisseur minimale étant suffisante pour assurer une tenue en flexion satisfaisante pour l’aube finale. Dans certains modes de réalisation, la première épaisseur est supérieure à 35 mm. Plus préférentiellement encore à 50 mm. Les inventeurs ont en effet déterminé qu’une telle zone de retrait présente un intérêt principalement à partir d’une telle épaisseur. Dans certains modes de réalisation, la surface totale de la zone de retrait occupe au moins 65%, de préférence au moins 80%, de la surface du deuxième tronçon longitudinal. Le renfoncement formé est ainsi de plus grande taille, ce qui permet de réduire d’autant la masse de l’aube finale. Dans certains modes de réalisation, l’extrémité inférieure de la zone de retrait se situe à une distance de la jonction entre les premier et deuxième tronçons longitudinaux supérieure à 10%, de préférence supérieure à 15%, de la hauteur du deuxième tronçon longitudinal. Les inventeurs ont en effet déterminé que le comportement fréquentiel de l’aube finale pouvait être dégradé si la zone de retrait se situait trop proche du pied de l’aube. Dans certains modes de réalisation, la zone de retrait s’étend jusqu’à l’extrémité supérieure du deuxième tronçon longitudinal. En effet, dans certaines des applications envisagées, la tête de l’aube est peu chargée et peut donc supporter une réduction de sa tenue mécanique. Dans certains modes de réalisation, l’extrémité supérieure de la zone de retrait se situe à une distance de la jonction entre les premier et deuxième tronçons longitudinaux inférieure à 90%, de préférence inférieure à 75%, de la hauteur du deuxième tronçon longitudinal. En effet, dans certaines des applications envisagées, il est préférable de conserver une portion structurale tissée 3D en tête d’aube afin d’y maintenir une tenue mécanique suffisante. Dans certains modes de réalisation, le deuxième tronçon longitudinal comporte un bord avant, configuré pour former un bord d’attaque de la partie de pale, et un bord arrière, configuré pour former un bord de fuite de la partie de pale. Dans certains modes de réalisation, l’extrémité avant de la zone de retrait se situe à une distance du bord avant supérieure à 15%, de préférence supérieure à 25%, de la distance séparant le bord avant du bord arrière. En effet, il est préférable de conserver une portion structurale tissée 3D au niveau du bord d’attaque de l’aube afin de pouvoir résister à des chocs contre de potentiels obstacles, en cas d’ingestion d’oiseaux par exemple. Dans certains modes de réalisation, la zone de retrait s’étend jusqu’au bord arrière. En effet, dans certaines des applications envisagées, le bord de fuite de l’aube est peu chargé et peut donc supporter une réduction de sa tenue mécanique. Dans certains modes de réalisation, l’extrémité arrière de la zone de retrait se situe à une distance du bord avant inférieure à 95% de la distance séparant le bord avant du bord arrière. En effet, dans certaines des applications envisagées, il est préférable de conserver une portion structurale tissée 3D au niveau du bord de fuite de l’aube afin d’y maintenir une tenue mécanique suffisante. Dans certains modes de réalisation, le deuxième tronçon longitudinal comporte une zone de transition, prévue entre le premier tronçon longitudinal et la zone de retrait, la zone de transition possédant une épaisseur décroissante en direction de la zone de retrait. Une telle zone de transition permet de réduire progressivement l’épaisseur de la préforme entre le premier tronçon longitudinal, où elle est généralement la plus épaisse, et la zone de retrait : ceci permet une meilleure transmission des efforts entre ces deux zones et simplifie la stratégie de tissage. Dans certains modes de réalisation, la zone de transition possède un taux de sorties de couches supérieur à 3 sorties de couches par 100 mm, de préférence supérieur à 5 sorties de couches par 100 mm. En effet, un tel taux de sorties de couches permet une transition d’épaisseur suffisamment rapide entre le premier tronçon longitudinal et la zone de retrait. Dans certains modes de réalisation, la zone de transition possède un taux de sorties de couches inférieur à 7 sorties de couches par 100 mm. Ceci permet de préserver une bonne transmission des efforts à l’interface entre le pied de l’aube et sa pale. Dans certains modes de réalisation, au moins 75%, de préférence au moins 90%, des sorties de couches au sein de la zone de transition sont réalisées d’un même côté du deuxième tronçon longitudinal. Ceci permet de maintenir une peau structurale tissée 3D en surface d’au moins un côté de l’aube. Dans certains modes de réalisation, les sorties de couches sont réalisées du côté intrados de la préforme, c’est-à-dire du côté configuré pour former le côté intrados de l’aube. En effet, l’extrados est généralement plus courbé que l’intrados : en conséquence, la peau tissée 3D maintenue du côté extrados est courbée, ce qui précontraint les fibres de cette peau, conduisant à une rigidité en flexion plus importante. Néanmoins, il serait également envisageable de réaliser les sorties de couches du côté extrados de la préforme. Dans certains modes de réalisation, la zone de retrait comprend des couches de fils provenant de différentes zones du premier tronçon longitudinal dans la direction transversale. Autrement dit, les sorties de couches préservent certaines couches du premier tronçon longitudinal qui sont alors ramenées vers la zone de retrait à l’aide de croisements de couche. Ainsi, la connexion mécanique de la zone de retrait avec le premier tronçon longitudinal est renforcée, ce qui renforce la tenue mécanique de l’aube finale. Dans certains modes de réalisation, la zone de retrait comprend des couches de fils provenant de toute l’épaisseur du premier tronçon longitudinal. Ainsi, la zone de retrait est connectée mécaniquement à toute l’épaisseur du premier tronçon longitudinal, ce qui permet d’assurer une très bonne tenue mécanique de l’aube finale. Dans certains modes de réalisation, au moins une couche de fils située en surface de la zone de retrait est également située en surface du premier tronçon longitudinal. De préférence, ceci est vrai pour les deux surfaces latérales de la préforme. Ainsi, on assure une continuité de surface, et donc une tenue mécanique renforcée, entre le premier tronçon longitudinal et la zone de retrait. Dans certains modes de réalisation, le deuxième tronçon longitudinal est courbé. Comme cela a été expliqué, ceci permet, d’une part, de former la courbure de l’aube finale et, d’autre part, de renforcer la tenue en flexion de l’aube finale. Dans certains modes de réalisation, la zone de retrait est unique. La préforme comporte ainsi un unique renfoncement. De plus, le deuxième tronçon longitudinal est plein, dépourvu notamment d’une chambre interne. Dans certains modes de réalisation, les fils utilisés pour le tissage de la préforme sont des fibres de carbone. Il peut toutefois s’agir de n’importe quel autre type de fil, par exemple des fibres de verre ou de kevlar. Dans certains modes de réalisation, l’armure utilisée pour le tissage tridimensionnel de la préforme peut être du type interlock 3D. Toutefois, le tissage des surfaces externes de la préforme peut être essentiellement bidimensionnel, du type satin par exemple. Le présent exposé concerne également une aube composite, comprenant une partie principale, réalisée en matériau composite au moyen d’une préforme possédant un premier tronçon longitudinal et un deuxième tronçon longitudinal, le deuxième tronçon longitudinal comportant une zone de retrait formant un renfoncement dans la partie principale, et un bloc de remplissage, rapporté dans le renfoncement de la partie principale et dont la densité est strictement inférieure à celle de la partie principale. En particulier, la préforme de cette aube peut correspondre à l’un quelconque des modes de réalisation précédent, l’aube bénéficiant ainsi des avantages et effets techniques correspondants mentionnés ci-dessus. De préférence, ladite préforme a été mise en forme dans un moule et noyée dans une matrice. Dans certains modes de réalisation, la densité du bloc de remplissage est au moins 10 fois inférieure à celle de la partie principale. Ceci permet de réduire d’autant la masse de l’aube. Dans certains modes de réalisation, le bloc de remplissage est réalisé en mousse, par exemple les polyimides ou les polyméthacrylimides (Rohacell 110XT-HT notamment). Les mousses bénéficient en effet d’une densité réduite. Dans certains modes de réalisation, l’aube comprend une partie de pale comportant un bord d’attaque, un bord de fuite, un extrados et un intrados, Dans certains modes de réalisation, l’intégralité de l’extrados est formée par la partie principale. On entend ici viser la structure de l’extrados, sans tenir compte d’éventuels revêtements de surface déposés ou rapportés en surface de l’extrados. Comme cela a été expliqué, ceci permet d’assurer une bonne tenue mécanique en flexion. Toutefois, dans d’autres modes de réalisation, la partie principale pourrait former l’intégralité de l’intrados. Dans certains modes de réalisation, l’intégralité du bord d’attaque est formée par la partie principale. On entend ici viser la structure du bord d’attaque, sans tenir compte d’éventuels revêtements ou renforts de surface déposés ou rapportés en surface du bord d’attaque. Comme cela a été expliqué, ceci permet d’assurer une bonne tenue mécanique en cas de choc avec un obstacle, par exemple lors de l’ingestion d’un oiseau. Dans certains modes de réalisation, l’intégralité du bord de fuite est formée par la partie principale. On entend ici viser la structure du bord de fuite, sans tenir compte d’éventuels revêtements ou renforts de surface déposés ou rapportés en surface du bord de fuite. Comme cela a été expliqué, ceci permet d’assurer une bonne tenue mécanique au niveau du bord d’attaque, ce qui peut être souhaité selon l’application visée. Dans certains modes de réalisation, le bloc de remplissage est collé dans le renfoncement de la partie principale. Il peut toutefois être rapporté à l’aide d’autres techniques, par exemple par injection et/ou moulage. Dans certains modes de réalisation, au moins un pli textile imprégné est rapporté au moins en partie sur le bloc de remplissage. Il peut s’agir d’un pli unique ou d’une superposition de plis, chaque pli étant de préférence bidimensionnel. De préférence, le ou les plis recouvrent intégralement le bloc de remplissage. Un tel pli permet de protéger le bloc de remplissage et de renforcer sa tenue en fonctionnement. Dans certains modes de réalisation, un profilé métallique est rapporté sur le bord d’attaque et/ou le bord de fuite. Ceci permet de renforcer ces parties de l’aube contre les chocs notamment. Dans certains modes de réalisation, un film polymère, par exemple en polyuréthane, est rapporté sur au moins une portion de la partie de pale. Ceci permet de protéger la partie de pale de certaines conditions environnementales. Dans certains modes de réalisation, la longueur de l’aube est supérieure à 900mm. Encore plus préférentiellement supérieure à 1200mm. Dans certains modes de réalisation, l’épaisseur maximale au col de l’aube est supérieure à 35 mm. Encore plus préférentiellement supérieure à 50 mm. Dans certains modes de réalisation, l’aube est une aube de rotor, par exemple du type aube de soufflante ou d’hélice. Il peut toutefois également s’agir d’une aube de stator, par exemple du type redresseur. Dans certains modes de réalisation, la matrice est de type organique. Il peut notamment s’agir d’une résine époxy. Le présent exposé concerne également un rotor, comprenant une aube composite selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents. Il peut notamment s’agir d’une soufflante, carénée ou non, ou d’une hélice. De préférence, le rotor est configuré pour tourner à des vitesses de rotation telles que la vitesse de l’extrémité des aubes ne dépasse pas celle classiquement connue pour une hélice de turbopropulseur ou une hélice de moteur du type open-rotor. Le présent exposé concerne également une machine tournante comprenant une aube composite ou un rotor selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents. Dans le présent exposé, les termes « longitudinal », « transversal », « inférieur », « supérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à la direction principale des aubes ; les termes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont quant à eux définis par rapport à l’axe principal de la turbomachine ; on entend par « plan axial » un plan passant par l’axe principal de la turbomachine et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe principal ; enfin, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation de l’air dans la turbomachine. On entend par « tissage tridimensionnel » une technique de tissage dans laquelle des fils de trame circulent au sein d’une matrice de fils de chaîne de manière à former un réseau tridimensionnel de fils selon une armure tridimensionnelle : toutes les couches de fils d’une telle structure fibreuse sont alors tissées au cours d’une même étape de tissage au sein d’un métier à tisser tridimensionnel. Dans le présent exposé, sauf mention contraire, les expressions « inférieur » et « supérieur » s’entendent au sens large, c’est-à-dire le sens englobant le cas où les deux valeurs considérées sont égales. Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation de la préforme et de l’aube composite proposées. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé. Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. En outre, des éléments (ou parties d'élément) appartenant à des exemples de réalisation différents mais ayant une fonction analogue sont repérés sur les figures par des références numériques incrémentées de 100, 200, etc. La figure 1 est un plan en coupe d’une turbomachine selon l’exposé. La figure 2 est une vue de profil d’une aube composite selon un premier exemple. La figure 3 est une vue en coupe de l’aube composite selon le premier exemple. La figure 4 illustre de manière schématique la préforme correspondant à ce premier exemple. La figure 5 est une vue en coupe d’une aube composite selon un deuxième exemple. Préforme pour aube composite, obtenue par tissage tridimensionnel, comprenant un premier tronçon longitudinal (51), configuré pour former un pied d’aube (21), et un deuxième tronçon longitudinal (52), s’étendant à partir du premier tronçon longitudinal (51), configuré pour former une portion d’une partie de pale (22), dans lequel le premier tronçon longitudinal (51) possède à son extrémité supérieure (53) une première épaisseur et, dans lequel le deuxième tronçon longitudinal (52) comporte au moins une zone de retrait (56) possédant une épaisseur au moins trois fois inférieure à la première épaisseur, la surface totale de la zone de retrait (56) occupant au moins 50% de la surface du deuxième tronçon longitudinal (52). Préforme selon la revendication 1, dans laquelle la zone de retrait (56) possède une épaisseur inférieure à 7,5 mm, de préférence inférieure à 6 mm. Préforme selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l’extrémité inférieure de la zone de retrait (56) se situe à une distance de la jonction (56) entre les premier et deuxième tronçons longitudinaux (51, 52) supérieure à 10%, de préférence supérieure à 15%, de la hauteur du deuxième tronçon longitudinal (52). Préforme selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le deuxième tronçon longitudinal (52) comporte un bord avant, configuré pour former un bord d’attaque (25) de la partie de pale (22), et un bord arrière, configuré pour former un bord de fuite (26) de la partie de pale (22), et dans laquelle l’extrémité avant de la zone de retrait (56) se situe à une distance du bord avant supérieure à 15%, de préférence supérieure à 25%, de la distance séparant le bord avant du bord arrière. Préforme selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le deuxième tronçon longitudinal (52) comporte une zone de transition (55), prévue entre le premier tronçon longitudinal (51) et la zone de retrait (56), la zone de transition (55) possédant une épaisseur décroissante en direction de la zone de retrait (56), et dans laquelle la zone de transition (55) possède un taux de sorties de couches supérieur à 3 sorties de couches par 100 mm, de préférence supérieur à 5 sorties de couches par 100 mm. Préforme selon la revendication 5, dans laquelle au moins 75%, de préférence au moins 90%, des sorties de couches au sein de la zone de transition (55) sont réalisées d’un même côté du deuxième tronçon longitudinal (52). Préforme selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la zone de retrait (56) comprend des couches de fils provenant de différentes zones du premier tronçon longitudinal (51) dans la direction transversale. Aube composite, comprenant une partie principale (30), réalisée en matériau composite au moyen d’une préforme (50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, la zone de retrait (56) de la préforme (50) formant un renfoncement (36) dans la partie principale (30), et un bloc de remplissage (40), rapporté dans le renfoncement (36) de la partie principale (30) et dont la densité est strictement inférieure à celle de la partie principale (30). Aube composite selon la revendication 8, dans laquelle le bloc de remplissage (40) est réalisé en mousse, par exemple en polyimide ou en polyméthacrylimide. Aube composite selon la revendication 8 ou 9, dans laquelle au moins un pli textile imprégné (141) est rapporté au moins en partie sur le bloc de remplissage (140). Rotor, comprenant une aube (20) composite selon l’une quelconque des revendications 8 à 10. Machine tournante, comprenant une aube composite (2) selon l’une quelconque des revendications 8 à 10 ou un rotor (2) selon la revendication 11.