Brevet FR3121480A1 — publié le 20221007

L’invention propose un carter de turbomachine d’aéronef, comportant une enveloppe annulaire (9) s’étendant autour d’un axe A et réalisée dans un matériau composite comportant un renfort en texture fibreuse (13 ; 16, 17) noyé dans une matrice en résine (14), le renfort en texture fibreuse (13 ; 16, 17) comportant au moins deux plis en fibres de carbone (16, 17). Le renfort en texture fibreuse (13 ; 16, 17) comporte aussi une épaisseur de Kevlar (30, 30a ; 31, 31a), interposée entre les deux plis en fibres de carbone (16, 17 ; 18, 19) dans l’épaisseur de l’enveloppe (9). L’invention propose également un procédé de fabrication d’un tel carter (3). Figure pour l'abrégé : Figure 5 CARTER POUR UNE TURBOMACHINE D’AERONEF ET PROCEDE DE FABRICATION DE CARTER Domaine technique de l'invention La présente invention concerne la réalisation d’un carter, en particulier de soufflante, pour une turbomachine d’aéronef. Arrière-plan technique De façon classique, une turbomachine comprend d’amont en aval, c'est-à-dire dans le sens d’écoulement des flux de gaz, une soufflante, un ou plusieurs compresseurs, une chambre de combustion, une ou plusieurs turbines, et une tuyère d’éjection des gaz de combustion sortant de la ou des turbines. La représente partiellement et schématiquement une soufflante 1 d’une turbomachine d’aéronef. La soufflante 1 comporte une roue à aubes 2 qui est entourée par un carter 3 de soufflante, encore appelé carter de rétention du fait de sa fonction de rétention en cas d’ingestion de débris dans la soufflante ou de perte d’aube. Le carter de soufflante 3 comprend typiquement une enveloppe annulaire 9 d'axe de révolution A qui s'étend autour des aubes de soufflante 2 de la turbomachine. Cette enveloppe comprend une bride annulaire de fixation 3’, 3’’ à chacune de ses extrémités axiales. Ces brides 3’, 3’’ sont utilisées pour fixer le carter 3 à des parois annulaires de la nacelle de la turbomachine. Le carter de soufflante 3 est lié, à l’amont, à une manche d’entrée d’air 5, et, à l’aval, à une virole 6 de carter intermédiaire. Le carter comporte également une virole acoustique amont 7 et un panneau acoustique aval 8. Le carter de soufflante 3 comporte encore une couche annulaire 4 de matière abradable, positionnée sur une couche annulaire dite couche support abradable 4’, elle-même disposée sur une surface annulaire interne 9’ de l’enveloppe 9, entre la virole amont 7 et le panneau aval 8. En plus de la fonction de rétention, le carter de soufflante 3 est également conçu pour : assurer une continuité mécanique (des efforts et des moments) entre la manche d’entrée d’air 5 et la virole 6 de carter intermédiaire ; permettre la fixation des panneaux de veine (virole amont 7, panneau acoustique 8 et couche de matière abradable 4), permettre la fixation d’équipements et de supports ; tenir les spécifications de règlementation au feu et aux fuites ; permettre une continuité du courant électrique pour la tenue à la foudre, etc. Pour assurer ses fonctions en minimisant sa masse, le carter de soufflante 3 est optimisé par zones. On distingue alors trois types de zones : une zone de rétention 10, des zones structurales 11, respectivement à l’amont et à l’aval de la zone de rétention 10, et les zones de bridage 12 aux extrémités axiales du carter 3. La zone de rétention 10 se situe en regard des aubes de soufflante 2, par exemple sensiblement au contact de la couche de matière abradable 4 ( ). La zone de rétention 10 assure les fonctions primaires du carter de soufflante 3, à savoir la tenue mécanique statique et dynamique, et la capacité de rétention, c’est-à-dire la résistance aux impacts d’éléments projetés à grande vitesse tels que des aubes perdues. Les zones structurales amont et aval 11 assurent une tenue mécanique dynamique. Elles sont amincies par rapport à la zone de rétention 10, ce qui permet de limiter la masse du carter 3. Les zones de bridage 12 garantissent une tenue thermo-mécanique statique. Elles travaillent en traction, en compression et en cisaillement. Enfin, elles assurent la liaison avec d’autres parties de l’aéronef sur lequel le carter 3 est monté. On connait ainsi des enveloppes 9 de carter de turbomachine qui sont en matériau composite comportant une texture fibreuse 13 en fibres de carbone noyée dans une matrice de résine 14. Une telle texture fibreuse 13 peut comporter une superposition de plis en fibres de carbone 16 à 19, par exemple quatre plis, tel qu’en . Chaque pli 16 à 19 comporte une multitude de fils de trame 20 et de fils de chaîne 21 entrecroisés. La zone de rétention 10 de l’enveloppe 9 est dimensionnée pour garantir la capacité de rétention du carter 3. La zone de rétention 10 est ainsi la partie la plus épaisse de l’enveloppe 9, donc la plus lourde. En outre, si les fibres de carbone présentent de nombreux avantages en termes de raideur, leur capacité d’absorption et d’amortissement d’impact peut dans certains cas s’avérer insuffisante. Par ailleurs, la moindre anomalie de tissage affecte directement la capacité de rétention du carter de soufflante. Enfin, les premières couches de la zone de rétention travaillent en cisaillement alors que la dernière couche travaille en traction. Dans une turbomachine existante, la surface extérieure de l’enveloppe de carter est recouverte de plis de Kevlar, ce qui présente des inconvénients liés au drapage des plis lors de l’enroulement (apparition de vides, problèmes de compactage), au positionnement axial des plis, au recouvrement et à la découpe des plis. En effet, lors du drapage de ces plis, il y a un risque d’apparition de vide interlaminaire qui est susceptible de générer des défauts matériau, ce qui est visible lors d’un contrôle non destructif. L’invention vise donc à proposer une alternative aux solutions existantes de carters de turbomachine d’aéronef à zone de rétention renforcée pour parer aux problèmes précités. L’invention propose donc notamment un carter de turbomachine et un procédé de fabrication d’un tel carter. L’invention concerne ainsi un carter de turbomachine d’aéronef, comportant une enveloppe annulaire s’étendant autour d’un axe longitudinal et réalisée dans un matériau composite comportant un renfort en texture fibreuse noyé dans une matrice en résine, le renfort en texture fibreuse comportant au moins deux plis en fibres de carbone. Dans ce carter, le renfort en texture fibreuse comporte en outre une épaisseur de Kevlar, l’épaisseur de Kevlar étant interposée entre les deux plis en fibres de carbone de manière à former un empilement. La solution proposée permet ainsi de renforcer la zone de rétention en interposant entre les couches du matériau composite une ou plusieurs épaisseurs de Kevlar. Le Kevlar apporte une meilleure capacité d’absorption d’énergie à l’impact que les fibres de carbone, tout en étant plus léger que celles-ci. L’invention offre ainsi tout à la fois la possibilité d’améliorer la capacité de rétention, par exemple en cas d’impact d’une aube perdue ou d’un corps étranger, de limiter le nombre de plis de fibres de carbone en zone de rétention, et ainsi d’en limiter l’épaisseur et la masse. En outre, la présence des épaisseurs internes de Kevlar permet de parer à d’éventuelles variations de la propriété de rétention du carter dans le cas d’aléas de production ou d’un changement de design. Le carter selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, considérées indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - l’enveloppe comporte un deuxième empilement comportant une épaisseur de Kevlar respective et au moins un pli en fibres de carbone, le deuxième empilement recouvrant alors radialement et extérieurement le premier empilement sur un pourtour de l’enveloppe ; - le deuxième empilement comporte deux plis en fibres de carbone distincts des deux plis en fibre de carbone du premier empilement, et entre lesquels ladite épaisseur de Kevlar respective est interposée. - une dite épaisseur de Kevlar est formée à partir d’au moins un pli de Kevlar d’épaisseur comprise entre 0,05 mm et 1 mm, de préférence entre 0,1 mm et 0,3 mm ; - la, ou chaque, épaisseur de Kevlar est formée exclusivement à partir de plis de Kevlar d’épaisseur comprise entre 0,05 mm et 1 mm, de préférence entre 0,1 mm et 0,3 mm ; - la, ou chaque, épaisseur de Kevlar est formée d’un unique pli de Kevlar, celui-ci étant d’épaisseur comprise entre 0,05 mm et 1 mm, de préférence entre 0,1 mm et 0,3 mm ; - une dite épaisseur de Kevlar est en Kevlar pré-imprégné ; - une dite épaisseur de Kevlar est en Kevlar sec ; - l’épaisseur de Kevlar est en toile tissée de Kevlar, laquelle est pourvue de fils de trame et de fils de chaines entrelacés ; - une zone de rétention est définie longitudinalement entre deux extrémités axialement opposées d’une surépaisseur de l’enveloppe, et/ou entre deux extrémités axialement opposées d’une couche support de matériau abradable de l’enveloppe, et/ou entre deux extrémités axialement opposées d’une couche de matériau abradable de l’enveloppe, et dans lequel une dite épaisseur de Kevlar s’étend sur au moins 80% de la longueur axiale de la zone de rétention, de préférence au moins 90% de cette longueur, de préférence encore toute cette longueur. L’invention porte encore sur une turbomachine d’aéronef comportant un carter comportant une ou plusieurs des caractéristiques définies ci-dessus. L’invention porte de plus sur un procédé de fabrication d’un carter de turbomachine d’aéronef tel que décrit ci-dessus, le procédé comportant : la mise en place sur un mandrin d’imprégnation d’au moins deux dits plis en fibres de carbone du renfort en texture fibreuse réalisée avant une étape d’injection de résine dans un moule d’imprégnation enveloppant le mandrin d’imprégnation et le renfort en texture fibreuse. Dans ce procédé, au moins une dite épaisseur de Kevlar est mise en place entre les deux dits plis en fibres de carbone au cours de la mise en place sur le mandrin d’imprégnation des au moins deux dits plis en fibres de carbone du renfort en texture fibreuse de manière à former un dit empilement. Dans le procédé de fabrication d’un carter tel que décrit ci-dessus, ladite épaisseur de Kevlar peut être mise en place, de manière à être interposée entre les deux plis en fibre de carbone, par drapage. L’invention peut également porter sur un procédé de fabrication d’un carter de turbomachine d’aéronef, ce carter comportant une enveloppe annulaire s’étendant autour d’un axe longitudinal et réalisée dans un matériau composite comportant un renfort en texture fibreuse noyé dans une matrice en résine, le renfort en texture fibreuse comportant au moins deux plis en fibres de carbone, le procédé comportant : la mise en place sur un mandrin d’imprégnation des au moins deux dits plis en fibres de carbone du renfort en texture fibreuse réalisée avant une étape d’injection de résine dans un moule d’imprégnation enveloppant le mandrin d’imprégnation et le renfort en texture fibreuse. Dans ce procédé, au moins une épaisseur de Kevlar est mise en place, au cours de la mise en place des deux dits plis en fibres de carbone sur le mandrin d’imprégnation, entre les deux dits plis en fibres de carbone de manière à former un empilement. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : La déjà discutée montre partiellement une vue en coupe d’une soufflante d’une turbomachine d’aéronef selon l’état de la technique ; La illustre en coupe schématique un empilement de couches d’un renfort en texture fibreuse d’une enveloppe de l’art antérieur selon la ligne de coupe A-A de la ; La est une vue en perspective d’une machine de drapage d’un renfort en texture fibreuse d’un matériau composite sur un tambour d’imprégnation avant injection de résine ; La montre partiellement une vue en coupe d’une soufflante d’une turbomachine d’aéronef selon l’invention ; La illustre en coupe schématique un empilement de couches d’un renfort en texture fibreuse de l’enveloppe de l’invention selon la ligne de coupe B-B de la . Description détaillée de l'invention Dans la description qui suit, l’invention est appliquée à un carter de soufflante tel que le carter 3 illustré partiellement en . L’invention n’est toutefois pas limitée à ce type de carter et peut être appliquée à d’autres carters d’une turbomachine. Le carter 3 auquel l’invention s’applique présente une forme générale annulaire autour de l’axe longitudinal A. Une flèche F matérialise un sens vers l’avant des éléments illustrés eu égard à leur orientation une fois installés dans la turbomachine. Le carter 3 comporte une enveloppe annulaire 9 qui s’étend elle-même autour de l’axe A ( ). Le carter de soufflante 3 comporte encore une couche annulaire 4 de matière abradable, positionnée sur une couche annulaire dite couche support abradable 4’, elle-même disposée sur une surface annulaire interne 9a de l’enveloppe 9. L’invention concerne en particulier une zone de rétention 10 de l’enveloppe 9, définie longitudinalement entre deux extrémités axialement opposées d’une surépaisseur 10’ de l’enveloppe 9, et/ou entre deux extrémités 4’a, 4’b axialement opposées d’une couche support 4’ de matériau abradable 4 de l’enveloppe 9, et/ou entre deux extrémités axialement opposées 10’a, 10’b d’une couche de matériau abradable 4 de l’enveloppe 9. L’enveloppe 9 est ici réalisée dans un matériau composite comportant un renfort en texture fibreuse 13’ noyé dans une matrice en résine 14. Plus précisément, le renfort en texture fibreuse 13’ est intégré dans la matrice en résine 14 après polymérisation de la résine. Comme visible en , le renfort en texture fibreuse 13’ comporte un empilement 25 de deux matières en textures fibreuses. Plus précisément, l’empilement 25 comporte une épaisseur de Kevlar 30 ainsi que deux plis en fibres de carbone 16 et 17. L’épaisseur de Kevlar 30 est prise en sandwich, c’est-à-dire interposée, entre les plis 16 et 17. De préférence, le renfort 13’ comporte au moins un deuxième empilement 26 de deux matières en textures fibreuses, comportant une épaisseur de Kevlar 31 et au moins un pli en fibres de carbone 19 supplémentaire. L’au moins un deuxième empilement 26 recouvre alors radialement extérieurement le premier empilement 25 sur le pourtour de l’enveloppe 9. Dans l’exemple préférentiel, toutefois non limitatif, illustré en , le deuxième empilement 26 comporte une épaisseur de Kevlar et deux plis en fibres de carbone 18 et 19. L’épaisseur de Kevlar 30 est prise en sandwich entre les plis 18 et 19. La structure du renfort en texture fibreuse 13’ illustrée en comporte alors, superposées de l’intérieur vers l’extérieur : un pli en fibre de carbone 16, une épaisseur de Kevlar 30, deux plis en fibre de carbone 17 et 18, une autre épaisseur de Kevlar 31, un pli en fibre de carbone 19. De préférence, au moins l’une, de préférence encore les deux, épaisseurs de Kevlar 30, 31 est en toile de Kevlar pourvue de fils de trame et de fils de chaines entrelacés. En variante non illustrée, un empilement supplémentaire, ou plusieurs, du type des empilements 25 et 26 peut être encore être prévu dans l’enveloppe 9. Dans l’exemple de la , chaque épaisseur de Kevlar 30 ou 31 comporte un unique pli de Kevlar 30a ou 31a. En variante non illustrée, au moins l’une des épaisseurs de Kevlar 30 ou 31 comporte au moins un deuxième pli de Kevlar 30a ou 31a. De préférence, le(s) pli(s) de Kevlar 30a et/ou 31a prévu(s) ci-dessus présente(nt) une épaisseur respective de 0,05 mm à 1 mm, de préférence encore de 0,1 mm à 0,3 mm. De préférence, non limitativement, la ou les épaisseur(s) de Kevlar 30 et/ou 31 utilisée(s) dans le ou les empilement(s) 25 et/ou 26 est/sont prévue(s) en Kevlar pré-imprégné. En variante, il est toutefois possible d’employer du Kevlar sec. La longueur axiale de l’épaisseur de Kevlar 30 et/ou 31 correspond à tout ou partie de la zone de rétention 10. De préférence, la longueur de la ou des épaisseurs de Kevlar 30 et/ou 31 s’étend sur au moins 80% de la longueur axiale de la zone de rétention 10, de préférence au moins 90% de la longueur de la zone de rétention 10, de préférence encore toute la longueur de la zone de rétention 10. Un procédé de fabrication d’un carter 3 pourvu de l’enveloppe 9 présentant au moins un empilement tel que l’empilement 25 peut comporter : - une étape de mise en place d’au moins deux plis en fibres de carbone 16 et 17 du renfort en texture fibreuse 13’ sur un mandrin d’imprégnation 32 ( ) et, - une étape d’injection de résine 14 dans un moule d’imprégnation (non illustré) enveloppant le mandrin d’imprégnation 32 et le renfort en texture fibreuse 13’. Les plis en fibres de carbone 16 à 19 sont, de préférence, formés pendant l’enroulement sur le mandrin d’imprégnation 32 d’une feuille en fibres de carbone continue 40 provenant d’un rouleau de fibres de carbone 41 ( ). Pendant l’enroulement des plis 16 à 19, les épaisseurs de Kevlar 30 et 31 peuvent être formées par drapage de feuilles individuelles de Kevlar 130 et 131. Les feuilles de Kevlar 130 et 131 sont alors, de préférence mais non limitativement, de largeur circonférentielle respective égale ou inférieure à la dimension d’un tour complet du mandrin 32 et/ou de l’enveloppe 9. Le(s) épaisseur(s) de Kevlar 30 et/ou 31 est/sont alors disposée(s) autour du mandrin d’imprégnation 32, directement intégrée(s) au sein du renfort en texture fibreuse 13’. Le drapage de feuilles individuelles de Kevlar 130 et 131 lors de l’enroulement de la feuille en fibres de carbone 40 présente l’avantage, grâce à la tension de la feuille 40 qui est tendue entre le rouleau 41 et le mandrin d’imprégnation 32, d’éliminer les vides et de garantir un compactage optimale des feuilles de Kevlar 130 et 131. La formation des empilements 25 et 26 s’effectue donc ici directement au cours de l’étape de mise en place du renfort en texture fibreuse 13’ sur le mandrin 32, avant l’étape d’injection de résine 14 dans le moule d’imprégnation (non illustré) enveloppant le mandrin 32. Une fois les empilements 25 et 26 en place, le moule est refermé sur le mandrin d’imprégnation recouvert du renfort en texture fibreuse 13’ (appelé à ce stade la préforme). La résine 14 est ensuite est injectée dans le moule puis polymérise, donnant ainsi leur forme définitive à la matrice en résine 14 et à l’enveloppe 9. L’invention apporte des avantages à plusieurs niveaux. D’un point de vue technique : le renforcement de la zone de rétention permet l’utilisation d’une préforme moins performante mécaniquement donc moins coûteuse ; la coinjection du renfort intégré en Kevlar avec la préforme permet d’obtenir une interface de liaison particulièrement résistante. D’un point de vue industriel : l’ajout d’une épaisseur de Kevlar dans l’épaisseur de l’enveloppe de la manière décrite ci-dessus permet l’utilisation d’une préforme composite moins performante, ce qui autorise des aléas de production ayant un effet sur les propriétés mécaniques ; le cycle de fabrication est faiblement affecté grâce à l’injection commune qui ne nécessite pas d’outillage supplémentaire. L’invention apporte donc des gains significatifs à la fois sur les plans technique et industriel. Carter de turbomachine d’aéronef, comportant une enveloppe annulaire (9) s’étendant autour d’un axe A et réalisée dans un matériau composite comportant un renfort en texture fibreuse (13’ ; 16, 17 ; 18, 19) noyé dans une matrice en résine (14), le renfort en texture fibreuse (13’ ; 16, 17 ; 18, 19) comportant au moins deux plis en fibres de carbone (16, 17), caractérisé en ce que le renfort en texture fibreuse (13’ ; 16, 17 ; 18, 19) comporte en outre une épaisseur de Kevlar (30, 30a ; 31, 31a), l’épaisseur de Kevlar (30, 30a ; 31, 31a) étant interposée entre les deux plis en fibres de carbone (16, 17 ; 18, 19) de manière à former un empilement (25, 26). Carter selon la revendication précédente, dans lequel l’enveloppe (9) comporte un deuxième empilement (26) comportant une épaisseur de Kevlar (31) respective et au moins un pli en fibres de carbone (18, 19), le deuxième empilement (26) recouvrant alors radialement et extérieurement le premier empilement (25) sur un pourtour de l’enveloppe (9). Carter selon la revendication précédente, dans lequel le deuxième empilement (26) comporte deux plis en fibres de carbone (18, 19) distincts des deux plis en fibre de carbone (16, 17) du premier empilement (25), et entre lesquels ladite épaisseur de Kevlar (31) respective est interposée. Carter selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une dite épaisseur de Kevlar (30, 31) est formée à partir d’au moins un pli de Kevlar (30a, 31a) d’épaisseur comprise entre 0,05 mm et 1 mm, de préférence entre 0,1 mm et 0,3 mm. Carter selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une dite épaisseur de Kevlar (30, 31) est en Kevlar pré-imprégné. Carter selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une zone de rétention (10) est définie longitudinalement entre deux extrémités axialement opposées d’une surépaisseur (10’) de l’enveloppe (9), et/ou entre deux extrémités (4’a, 4’b) axialement opposées d’une couche support (4’) de matériau abradable (4) de l’enveloppe (9), et/ou entre deux extrémités axialement opposées (10’a, 10’b) d’une couche de matériau abradable (4) de l’enveloppe (9), et dans lequel une dite épaisseur de Kevlar (30, 31) s’étend sur au moins 80% de la longueur axiale de la zone de rétention (10), de préférence au moins 90% de cette longueur, de préférence encore toute cette longueur. Turbomachine d’aéronef comportant un carter (3) selon l’une des revendications précédentes. Procédé de fabrication d’un carter (3) de turbomachine d’aéronef selon l’une des revendications 1 à 6, le procédé comportant : la mise en place sur un mandrin d’imprégnation (32) d’au moins deux dits plis en fibres de carbone (16, 17) du renfort en texture fibreuse (13’ ; 16, 17 ; 18, 19) réalisée avant une étape d’injection de résine (14) dans un moule d’imprégnation enveloppant le mandrin d’imprégnation (32) et le renfort en texture fibreuse (13’ ; 16, 17 ;18, 19), caractérisé en ce qu’au moins une dite épaisseur de Kevlar (30, 31 ; 30a, 31a) est mise en place entre les deux dits plis en fibres de carbone (16, 17 ; 18, 19) au cours de la mise en place sur le mandrin d’imprégnation (32) des au moins deux dits plis en fibres de carbone (16, 17) du renfort en texture fibreuse (13’ ; 16, 17 ; 18, 19) de manière à former un dit empilement (25, 26). Procédé de fabrication d’un carter (3) selon la revendication précédente, dans lequel ladite épaisseur de Kevlar (30, 31 ; 30a, 31a) est mise en place, de manière à être interposée entre les deux plis en fibre de carbone (16, 17 ; 18, 19), par drapage. Procédé de fabrication d’un carter (3) de turbomachine d’aéronef, ce carter (3) comportant une enveloppe annulaire (9) s’étendant autour d’un axe A et réalisée dans un matériau composite comportant un renfort en texture fibreuse (13’ ; 16, 17) noyé dans une matrice en résine (14), le renfort en texture fibreuse (13’ ; 16, 17) comportant au moins deux plis en fibres de carbone (16, 17), le procédé comportant : la mise en place sur un mandrin d’imprégnation (32) des au moins deux dits plis en fibres de carbone (16, 17) du renfort en texture fibreuse (13’ ; 16, 17) réalisée avant une étape d’injection de résine (14) dans un moule d’imprégnation enveloppant le mandrin d’imprégnation (32) et le renfort en texture fibreuse (13’ ; 16, 17), caractérisé en ce qu’au moins une épaisseur de Kevlar (30, 31 ; 30a, 31a) est mise en place, au cours de la mise en place des deux dits plis en fibres de carbone (16, 17 ; 18, 19) sur le mandrin d’imprégnation (32), entre les deux dits plis en fibres de carbone (16, 17 ; 18, 19) de manière à former un empilement (25, 26).