Brevet FR3122696A1 — publié le 20221111

Aube (21) en matériau composite pour turbomachine, comprenant un pied (22) destiné à être maintenu dans une alvéole d’un rotor de la turbomachine, ce pied (22) étant prolongé par une échasse (23) portant une pale (24), caractérisé en ce que cette aube est équipée d’un dispositif de précontrainte (33) qui enserre tout ou partie du pied (22) et/ou de l’échasse (23) pour le précontraindre en le comprimant selon une direction transversale (AT) de l’aube. Figure pour l’abrégé : Figure 9 Aube composite de turbomachine équipée d’un dispositif de précontrainte L’invention concerne une aube de moteur d'aéronef de type turbomachine, tel qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur, et elle s’applique notamment à une aube en matériau composite telle qu’une aube de soufflante. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans un turboréacteur connu, repéré par 1 sur la , l'air est admis dans une manche d'entrée 2 pour traverser une soufflante comportant une série d’aubes rotatives 3 avant de se scinder en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire. Le flux primaire est compressé par des compresseurs basse pression 4 et haute pression 5 avant d'atteindre une chambre de combustion 6, après quoi il se détend en traversant une turbine haute pression 7 et une turbine basse pression 8, avant d'être évacué en générant une poussée auxiliaire. Le flux secondaire est quant à lui propulsé directement par la soufflante pour générer une poussée principale. Chaque turbine 7, 8 comporte des séries d'aubes orientées radialement et régulièrement espacées autour d'un axe de rotation AX, un carter externe 9 entourant l'ensemble du moteur. De la même manière, les aubes de la soufflante sont orientées radialement et régulièrement réparties autour de l’axe AX, en étant portées par un rotor. Une telle aube, repérée par 3 sur la , comprend un pied 11 prolongé par une échasse 12 qui porte la pale 13 proprement dite de l’aube, l’ensemble s’étendant radialement par rapport à l’axe de rotation du rotor portant l’aube, selon une direction radiale dite direction d’envergure. Cette aube 3 est fabriquée en matériau composite, par exemple à partir d’une préforme 3D de fibres de carbone tissées en une seule pièce s’étendant depuis le pied 11 jusqu’à l’extrémité libre de la pale 13. L’aube 3 est portée par un rotor de soufflante 14 en ayant son pied 11 engagé et retenu dans une alvéole 16 correspondante de ce rotor 14, comme illustré sur la . De telles alvéoles 16 sont régulièrement réparties autour l’axe AX à la périphérie du rotor, et elles s'étendent parallèlement les unes aux autres selon la direction de l'axe AX ou en formant un certain angle avec celui-ci. Chaque alvéole 16 est une rainure à section transversale en forme de queue d'aronde à sommets arrondis. Chaque alvéole délimite sur toute sa longueur une ouverture rectangulaire débouchant radialement vers l’extérieur du rotor, et débouche dans les faces avant et arrière de ce rotor. Le montage d’une aube 3 consiste ainsi à engager son pied 11 dans l’alvéole 16 par une face du rotor dans laquelle cette alvéole débouche. D’une manière générale, la conception de l’aube est optimisée pour présenter une géométrie offrant à la fois un comportement aérodynamique optimal et une tenue mécanique satisfaisante. D’une manière générale, compte tenu notamment des particularités mécaniques propres aux matériaux composites, la conception d’une telle aube doit répondre à une multitude d’impératifs. En pratique, des essais mécaniques montrent qu’au cours de la vie d’une telle aube, les premiers endommagements mécaniques apparaissent dans la région de son pied et/ou de son échasse. Le but de l’invention est d’apporter une solution permettant d’accroître la tenue mécanique d’une telle aube dans la région de son pied et de son échasse de manière à augmenter sa durée de vie en retardant l’apparition de ses premiers endommagements mécaniques. A cet effet, l’invention a pour objet une aube en matériau composite pour turbomachine, comprenant un pied s’étendant selon une direction longitudinale, ce pied étant destiné à être maintenu dans une alvéole d’un rotor de la turbomachine, ce pied étant prolongé par une échasse portant une pale qui s’étendent selon une direction d’envergure, la pale s’étendant depuis un bord d’attaque situé à son amont jusqu’à un bord de fuite situé à son aval, caractérisé en ce que cette aube est équipée d’un dispositif de précontrainte qui enserre tout ou partie du pied et/ou de l’échasse pour appliquer une précontraindre de compression selon une direction transversale perpendiculaire à la direction longitudinale et à la direction d’envergure. Le système de précontrainte permet ainsi d’accroître la tenue mécanique de l’aube vis-à-vis des contraintes de cisaillement exercées dans le plan des fils de chaine et de trame contenant la direction d’envergure et la direction longitudinale, que l’aube subit lorsqu’elle est en service. Ceci permet de retarder l’apparition d’endommagements au niveau du pied et/ou de l’échasse, et par là-même d’accroître la durée de vie de l’aube. L’invention a également pour objet une aube ainsi définie, dans laquelle le dispositif de précontrainte enserre une portion amont de l’échasse et/ou du pied. L’invention a également pour objet une aube ainsi définie, dans laquelle le dispositif de précontrainte enserre l’échasse ou le pied sur toute sa longueur. L’invention a également pour objet une aube ainsi définie, dans laquelle le dispositif de précontrainte enserre l’échasse au niveau de sa jonction avec la base de la pale. L’invention a également pour objet une aube ainsi définie, comprenant deux flancs s’étendant le long du pied et/ou de l’échasse en dépassant transversalement du pied et/ou de l’échasse, et un système de serrage d’une portion amont de ces deux flancs. L’invention a également pour objet une aube ainsi définie, dans laquelle les flancs sont constitués de matériau composite stratifié rapporté directement sur l’échasse et/ou le pied et rigidement solidaire du pied et/ou de l’échasse. L’invention a également pour objet une aube ainsi définie, comprenant un système de serrage d’une portion aval des deux flancs. L’invention a également pour objet une aube ainsi définie, dans laquelle le système de serrage comporte un boulon traversant les flancs. L’invention a également pour objet une aube ainsi définie, dans laquelle le système de serrage est de type serre-joint. L’invention a également pour objet une aube ainsi définie, dans laquelle le système de serrage comporte un organe de serrage enserrant les flancs en étant monté en force. La déjà décrite est une vue en coupe longitudinale d’un turboréacteur connu ; La déjà décrite est une vue en perspective d’une aube de soufflante en matériau composite ; La déjà décrite est une vue en coupe transversale partielle d’une alvéole de moteur connu dans laquelle est monté un pied d’aube ; La est une vue partielle en perspective d’une aube en composite montrant les directions de fils de chaine et de fils de trame ; La est vue en coupe transversale illustrant schématiquement la précontrainte appliquée dans la région de l’échasse d’aube conformément à l’invention ; La est une vue en coupe dans un plan orthoradial montrant un système de précontrainte conforme à l’invention ; La est une vue en coupe dans un plan orthoradial d’une variante d’application de précontrainte selon l’invention ; La est une vue en coupe dans un plan orthoradial d’une autre variante d’application de précontrainte selon l’invention ; La est une vue en perspective d’une portion inférieure d’aube équipée illustrant une précontrainte appliquée en partie supérieure de l’échasse de l’aube conformément à l’invention ; La est une vue en perspective d’une portion inférieure d’aube équipée illustrant une précontrainte appliquée au niveau du talon de l’aube conformément à l’invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Sur la , une aube 21 de soufflante de turboréacteur est destinée à être portée par un rotor non représenté pour tourner autour d’un axe AX coïncidant avec l’axe longitudinal du moteur. Cette aube comporte un pied 22 par lequel elle est fixée au rotor, ce pied étant prolongé par une échasse 23 portant une pale 24, l’ensemble s’étendant selon une direction d’envergure EV qui est sensiblement perpendiculaire à la direction de l’axe AX. La pale 24 comporte un intrados 26 concave et un extrados convexe 27 qui s’étendent l’un et l’autre entre son bord d’attaque 28 situé à son amont AM, et son bord de fuite 29 situé à son aval AV. Le pied 22 s’étend selon un axe longitudinal AL de l’aube qui est perpendiculaire à la direction d’envergure, et forme un léger angle (angle de calage) avec l’axe de rotation AX. Cette aube de soufflante 21 est une aube en matériau composite, obtenue par exemple à partir d’une préforme 3D en fibres de carbone. Plus particulièrement, elle est formée d’un tissage de fils incluant des fils ou torons de trame 31 s’étendant selon une direction approximativement parallèle à la direction longitudinale AL de l’aube, et des fils ou torons de chaine 32 s’étendant selon la direction d’envergure EV de l’aube qui est perpendiculaire à l’axe AX. Autrement dit, les fils de trame s’étendent du bord d’attaque au bord de fuite, alors que les fils de chaine s’étendent du pied au sommet de la pale. En fonctionnement, l’aube 21 est soumise à des efforts centrifuges élevés se traduisant par des efforts de tension qui engendrent entre autres une contrainte en cisaillement dans le matériau composite du pied 22 et/ou de l’échasse 23, cette contrainte étant orientée localement dans le plan des fils de trame 31 et des fils de chaine 32, principalement selon la direction des fils de chaine 32. L’aube est aussi soumise aux efforts exercés par le flux d’air qui la contourne, dont la composante selon l’axe AX engendre une contrainte de cisaillement selon la direction des fils de trame 31. En pratique, cette contrainte se traduit par l’apparition d’un endommagement de l’aube dans la région de l’échasse et/ou du pied ou dans leur voisinage, pouvant nécessiter le remplacement de l’aube. D’une manière plus générale, cet endommagement qui résulte d’une sollicitation mécanique de fatigue apparaît au cours de la vie de l’aube, de sorte qu’il en diminue la durée de vie. L’invention est basée sur le constat selon lequel dans un matériau composite, la tenue en cisaillement dans un plan donné est augmentée si le matériau en question est comprimé dans la direction normale à ce plan, cette direction étant aussi dénommée direction hors plan. L’idée à la base de l’invention est ainsi de comprimer l’échasse 23 et/ou le pied 22 de l’aube selon la direction hors plan de ses fils de trame 31 et de chaine 32, c’est-à-dire la direction transversale AT qui est perpendiculaire à la direction longitudinale AL et à la direction d’envergure EV. Ainsi, dans l’exemple des figures 5 et 6, on prévoit un dispositif de précontrainte 33 enserrant l’échasse 23 pour comprimer celle-ci une selon la direction transversale AT afin de la précontraindre. Ce dispositif de précontrainte 33 coïncide avantageusement avec un élément de joint entourant l’échasse 23 pour assurer une étanchéité aérodynamique entre l’échasse et le rotor. Ce dispositif 33 a ainsi pour effet d’augmenter la contrainte de cisaillement maximale dans le plan des fils de chaine et de trame qui est admissible par l’aube dans la région de son échasse 23. Cela permet donc de retarder l’apparition d’un endommagement dans cette région, et par là-même d’augmenter la durée de vie de l’aube. Compte tenu de la forme gauche des faces d’intrados et d’extrados de l’échasse 23 voire éventuellement du pied 22, et de l’effort de compression significatif devant être appliqué, le dispositif de précontrainte 33 comporte avantageusement deux flancs de serrage longeant respectivement contre la face d’intrados et contre la face d’extrados. Ces flancs permettent de répartir la contrainte le long de l’échasse pour que cette contrainte soit homogène. Comme visible sur la , le flanc d’intrados, repéré par 34, comporte une face interne 36 convexe qui est en appui sur la face d’intrados concave 26, et une face externe 37 pouvant être plane. De manière analogue, le flanc d’extrados 38 comporte une face interne 39 concave appliquée contre la face d’extrados convexe 27, et une face externe 41 pouvant être plane. Ces deux flancs sont situés au même niveau le long de l’axe d’envergure EV. Ils peuvent être constitués de composite stratifié, avantageusement rigidement solidarisés au reste de l’échasse ou du pied, ces flancs pouvant être rapportés en fin de fabrication de l’aube en composite. Ces deux flancs 34 et 38 qui constituent des surépaisseurs s’étendant selon la direction longitudinale AL forment une embase suffisamment rigide pour exercer la précontrainte requise selon la direction transversale AT. Comme visible sur la , les flancs 34 et 38 dépassent l’un et l’autre au-delà du pied 22 ou l’échasse 23 vers l’amont AM et également vers l’aval AV, pour recevoir deux systèmes de serrage 42 et 43 situés respectivement à l’amont et à l’aval de l’échasse. Plus particulièrement, le système de serrage amont 42 comporte deux entretoises 44 et 46, appliquées respectivement sur les faces externes 37 et 41 aux extrémités amonts des flancs 34 et 38, avec un organe de serrage 47 de type boulon traversant ces entretoises et les deux flancs pour les enserrer efficacement. Le système de serrage aval 43 comporte les mêmes composants que le système amont 42. Grâce aux flancs, les systèmes de serrage 42 et 43 suffisent à comprimer l’échasse sur toute leur longueur : la précontrainte de compression est appliquée de manière uniforme et homogène tout le long de l’échasse. Dans l’exemple de la , l’entretoise de l’aube est enserrée sur toute sa longueur par le dispositif de précontrainte 33. Mais le dispositif de précontrainte 33 peut aussi comprimer uniquement la région amont de l’échasse ou du pied, comme illustré sur les figures 8 et 9, du fait que la région amont s’avère être la partie la plus contrainte en terme de cisaillement dans le plan des fils de chaine et de trame. Dans cet autre cas, correspondant aux figures 8 et 9, c’est uniquement la région amont de l’échasse qui est pourvue de deux flancs 48 et 49, et les faces externes 51 et 52 de ces deux flancs reçoivent un système de serrage pour exercer un effort de précontrainte en compression selon la direction AT essentiellement au niveau de cette portion amont. Dans l’exemple de la , le dispositif de précontrainte 33 comporte un système de serrage, repéré par 53, qui est un système de type serre-joint comportant deux touches 54, 56 portées par un bras transversale 57, qui s’étend ici en amont des flancs au lieu de les traverser, pour exercer un effort presseur significatif sur les faces externes 51 et 52. Dans l’exemple de la , le dispositif de précontrainte 33 comporte un système de serrage, repéré par 58, qui comprend une unique entretoise en forme de U entourant toute l’extrémité amont des flancs 48 et 49, et cette entretoise 59 est entourée par une pièce métallique 61 ayant également une forme correspondant à la lettre U mais qui est montée serrée autour de l’entretoise. Les branches de cette pièce métallique 61 exercent un effort presseur selon la direction AT pour précontraindre la partie amont de l’échasse. Cette précontrainte peut être obtenue en dilatant la pièce métallique 61 par chauffage, avant de la mettre en place autour de l’entretoise 59 : la pièce 61 se rétracte alors en se refroidissant pour exercer l’effort presseur de précontrainte souhaité. Dans ce cas, l’entretoise 59 joue également un rôle de joint d’étanchéité thermique entre la pièce 61 et l’aube, lors du montage de cette pièce 61. Les systèmes de serrage 53 et 58 sont ainsi des systèmes complètement externes à l’aube, par opposition aux systèmes 42 et 43 qui la traversent sur toute son épaisseur. D’une manière générale, le dispositif de précontrainte 33 peut être positionné pour enserrer l’échasse 23, en étant situé le long de l’axe d’envergure EV à l’extrémité de l’échasse 23 qui est la plus distante du pied 22, c’est-à-dire au voisinage de la base de la pale 24 que cette échasse porte, comme illustré schématiquement sur la . Ce dispositif de précontrainte 33 peut également être positionné pour enserrer le pied 22 de l’aube au niveau de la sortie de la portée recevant ce pied, comme illustré schématiquement sur la . Le dispositif 33 est alors placé dans la région du pied 22 qui émerge de l’alvéole lorsque l’aube est montée, cette région coïncidant sensiblement avec l’extrémité de l’échasse qui est la plus proche du pied, ou encore avec la jonction du pied avec l’échasse. Dans ce dernier cas, comme le pied de l’aube a une forme sensiblement rectiligne, il n’est pas indispensable de prévoir des flancs comme dans le cas d’un dispositif de précontrainte agissant sur l’échasse, et dans le cas où des flancs peuvent s’avérer nécessaires, ils présentent une épaisseur moindre. Aube (21) en matériau composite pour turbomachine, comprenant un pied (22) s’étendant selon une direction longitudinale (AL), ce pied (22) étant destiné à être maintenu dans une alvéole d’un rotor de la turbomachine, ce pied (22) étant prolongé par une échasse (23) portant une pale (24) qui s’étendent selon une direction d’envergure (EV), la pale (24) s’étendant depuis un bord d’attaque (28) situé à son amont (AM) jusqu’à un bord de fuite (19) situé à son aval (AV), caractérisé en ce que cette aube (21) est équipée d’un dispositif de précontrainte (33) qui enserre tout ou partie du pied (22) et/ou de l’échasse (23) pour appliquer une précontraindre de compression selon une direction transversale (AT) qui est perpendiculaire à la direction longitudinale (AL) et à la direction d’envergure (EV). Aube selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif de précontrainte (33) enserre une portion amont (AM) de l’échasse (23) et/ou du pied (22). Aube selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif de précontrainte (33) enserre l’échasse (23) ou le pied (22) sur toute sa longueur. Aube selon la revendication 3, dans laquelle le dispositif de précontrainte (33) enserre l’échasse (23) au niveau de sa jonction avec la base de la pale (24). Aube selon la revendication 1, comprenant deux flancs (34, 38 ; 48, 49) s’étendant le long du pied (22) et/ou de l’échasse (23) en dépassant transversalement du pied (22) et/ou de l’échasse (23), et un système de serrage (42 ; 53 ; 58) d’une portion amont (AM) de ces deux flancs (34, 38 ; 48, 49). Aube selon la revendication 5, dans laquelle les flancs (34, 38 ; 48, 49) sont constitués de matériau composite stratifié rapporté directement sur l’échasse (23) et/ou le pied (22) et rigidement solidaire du pied (22) et/ou de l’échasse (23). Aube selon la revendication 5, comprenant un système de serrage (43) d’une portion aval (AV) des deux flancs (34, 38). Aube selon la revendication 5 ou 7, dans laquelle le système de serrage (42, 43) comporte un boulon traversant les flancs (34, 38 ; 48, 49). Aube selon la revendication 5 ou 7, dans laquelle le système de serrage (53 ; 58) est de type serre-joint. Aube selon la revendication 5 ou 7, dans laquelle le système de serrage comporte un organe de serrage (47) enserrant les flancs (48, 49) en étant monté en force.