INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Renfort pour une aube composite d’une turbomachine, comprenant un mélange de découpes de fibre et d’un tackifiant La présente demande concerne les turbomachines d’aéronefs, notamment les turboréacteurs ou les turbopropulseurs. La demande concerne un renfort pour une aube composite de turbomachine, une aube composite munie d’un tel renfort, et un procédé de fabrication d’un tel renfort et d’une telle aube composite.
EXPOSE GENERAL Un but de la présente demande est de proposer un renfort pour une aube composite de turbomachine permettant de réduire les contraintes s’exerçant sur l’aube au niveau d’une zone structurale de l’aube, et permettant de limiter l’augmentation de la masse de l’aube.
Un autre but de la demande est de proposer un procédé de fabrication d’un tel renfort qui soit simple à mettre en œuvre et qui permette de créer rapidement un renfort présentant une géométrie complexe.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect, un renfort pour une aube de turbomachine, l’aube comprenant une première peau extérieure et une deuxième peau extérieure en matériau composite raccordées l’une à l’autre au niveau d’une extrémité externe de l’aube, la première peau comprenant une première partie d’extrémité interne, la deuxième peau comprenant une deuxième partie d’extrémité interne, la première partie d’extrémité interne et la deuxième partie d’extrémité interne étant distantes l’une de l’autre de sorte à délimiter entre elles une cavité intérieure de l’aube débouchant dans une ouverture au niveau d’une extrémité interne de l’aube, l’extrémité interne étant radialement opposée à l’extrémité externe, dans lequel le renfort est adapté pour être disposé dans la cavité intérieure de sorte à boucher l’ouverture, et dans lequel le renfort comprend un mélange de découpes d’au moins une fibre et d’un tackifiant, les découpes présentant des longueurs supérieures ou égales à 1 mm, le tackifiant comprenant une résine époxy solubilisée dans un solvant.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du renfort selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou selon toute combinaison techniquement envisageable :
Le au moins un aimant 9 peut être revêtu de nickel pour le protéger d’éventuelles agressions corrosives ou pour permettre son remplacement aisé par démontage. De préférence, le au moins un aimant 9 est agencé au plus proche de la surface du rotor 4 ou affleure à la surface du rotor 4. Le au moins un aimant 9 est par exemple fixé, par exemple par collage au corps du rotor 4, ou est reçu dans une cavité du corps du rotor 4.
Le corps 2a de stator 2 est par exemple réalisé en fonte.
Au moins une couche superficielle 2b du stator 2 présentant une surface 10 en matériau ferromagnétique est par exemple réalisée en alliage de fer et de nickel, aussi appelé « mu-métal », tel qu’en fonte enrichie en nickel aussi appelée « Ni-resist » ( ). En effet, la perméabilité magnétique des mu-métaux est supérieure à celle de la fonte. Les mu-métaux présentent aussi l’avantage de permettre la génération d’un effet Joule important. Le corps 2a de stator 2 peut être réalisé dans un premier matériau, tel qu’en fonte et présenter une couche superficielle 2b en matériau ferromagnétique ou le stator 2 (corps 2a et couche superficielle 2b) peut être réalisé dans la masse en matériau ferromagnétique, tel qu’en alliage de fer et de nickel.
Par ailleurs, au moins une surface 10 en matériau ferromagnétique du stator 2 peut comporter un revêtement 28 de nickel. Le revêtement 28 nickel permet d’obtenir un échauffement plus important en surface. Cet échauffement augmente avec l’épaisseur du revêtement 28. On prévoit par exemple un revêtement 28 dont l’épaisseur est comprise entre 20µm et 2cm notamment pour des rotors 4 tournant entre 60 et 250Hz.
Ainsi, selon un exemple de réalisation de la surface 10 en matériau ferromagnétique illustré sur la , le corps 2a de stator 2 est réalisé en fonte, une couche superficielle 2b du stator 2 est réalisée en alliage de fer et de nickel et présente un revêtement 28 de nickel.
Le stator 2 est par exemple composé d’éléments de stator assemblés entre eux et seul l’élément de stator portant la surface 10 en matériau ferromagnétique peut présenter une couche superficielle 2b en mu-métal revêtu de nickel afin de limiter les coûts.
Bien que les figures 1 à 4b illustrent un exemple de rotor 4 de type bilobes, pour lequel le rotor 4 comporte deux éléments rotoriques 6 décalés de 180° par chambre de compression 3, d’autres réalisations sont bien sûr envisageables.
La montre un autre exemple pour lequel le rotor 4 est de type tétralobes, c’est-à-dire comportant quatre éléments rotoriques 6 décalés de 90° par chambre de compression 3, et où chaque élément rotorique 6 est pourvu d’un seul aimant 9. On peut prévoir, pour optimiser la génération de courants que la polarité des aimants 9 soit inversée à chaque élément rotorique 6 adjacent comme représenté sur la dans le cas de rotors 4 présentant un nombre pair d’éléments rotoriques 6.
La illustre un deuxième exemple de pompe à vide 100.
La pompe à vide 100 est une pompe à vide turbomoléculaire.
Elle comporte un stator 2 présentant une chambre de compression 3 dans laquelle les gaz à pomper sont destinés à circuler et un rotor 4 configuré pour tourner dans la chambre de compression 3 du stator 2 pour entrainer le gaz à pomper entre un orifice d’aspiration 5 et un orifice de refoulement 17 du stator 2 (flèches G sur la ).
Selon un exemple de réalisation, la pompe à vide 100 comporte un étage turbomoléculaire 18 et un étage moléculaire 19 situé en aval de l’étage turbomoléculaire 18 dans la direction d’écoulement des gaz. Les gaz pompés entrent par l’orifice d’aspiration 5, traversent d’abord l’étage turbomoléculaire 18, puis l’étage moléculaire 19, puis le refoulement, pour être ensuite évacués par l’orifice de refoulement 17 de la pompe à vide 100. En fonctionnement, l’orifice de refoulement 17 est raccordé à une pompe à vide primaire.
Dans l’étage turbomoléculaire 18, le rotor 4 comporte au moins deux étages de pales 20 et le stator 2 comporte au moins un étage d’ailettes 21. Les étages de pales 20 et d’ailettes 21 se succèdent axialement le long de l’axe de rotation I du rotor 4 dans l’étage turbomoléculaire 18. Le rotor 4 comporte par exemple plus de quatre étages de pales 20, comme par exemple entre quatre et huit étages de pales 20 (six dans l’exemple illustré sur la ).
Chaque étage de pales 20 du rotor 4 comporte des pales inclinées qui partent en direction sensiblement radiale d’un moyeu du rotor 4 fixé à un arbre 7 de la pompe à vide 100 turbomoléculaire. Les pales 20 sont réparties régulièrement en périphérie du moyeu.
Chaque étage d’ailettes 21 du stator 2 comporte une couronne de laquelle partent, en direction sensiblement radiale, des ailettes inclinées, réparties régulièrement sur le pourtour intérieur de la couronne. Les ailettes d’un étage d’ailettes 21 du stator 2 viennent s’engager entre les pales de deux étages de pales 20 du rotor 4 successifs. Les pales du rotor 4 et les ailettes du stator 2 sont inclinées pour guider les molécules de gaz pompés vers l’étage moléculaire 19.
Selon un exemple de réalisation, le rotor 4 comporte une jupe Holweck 22 dans l’étage moléculaire 19, formée par un cylindre lisse, qui tourne en regard de rainures hélicoïdales du stator 2. Les rainures hélicoïdales permettent de comprimer et guider les gaz pompés vers le refoulement.
Une telle fonction est assurée par le deuxième circuit d’alimentation en gaz de l’appareil consommateur de gaz à basse pression. Un tel deuxième circuit d’alimentation s’étend de la cuve jusqu’à l’appareil consommateur de gaz à basse pression. Ce dernier peut par exemple être un moteur auxiliaire tel qu’un moteur à combustion interne d’un générateur électrique. Le dispositif de compression disposé sur le deuxième circuit d’alimentation est chargé d’aspirer le gaz présent dans le ciel de la cuve afin de pouvoir à la fois alimenter l’appareil consommateur de gaz à basse pression mais aussi de réguler la pression au sein de la cuve.
Le gaz à l’état vapeur circulant dans la ligne de retour traverse dans un premier temps le deuxième échangeur de chaleur, puis le troisième échangeur de chaleur, puis le premier échangeur de chaleur, avant de retourner dans la cuve. Un échange de calories est opéré au sein des trois échangeurs de chaleur suscités, et ce afin de refroidir progressivement le gaz à l’état vapeur circulant dans la ligne de retour. En traversant le premier échangeur de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur, c’est le gaz à l’état liquide circulant dans le premier circuit d’alimentation qui permet le refroidissement du gaz à l’état vapeur circulant dans la ligne de retour. En traversant le troisième échangeur de chaleur, c’est le gaz à l’état vapeur circulant dans la branche de traitement thermique qui permet le refroidissement du gaz à l’état vapeur circulant dans la ligne de retour.
La température du gaz à l’état vapeur diminue alors en traversant les trois échangeurs de chaleur, jusqu’à ce que ledit gaz se condense et repasse à l’état liquide sensiblement en aval du premier échangeur de chaleur. Le gaz ainsi condensé, c’est-à-dire à l’état liquide, circule alors jusqu’à la cuve.
La branche de traitement thermique étant connectée au deuxième circuit d’alimentation le système d’alimentation peut être configuré pour que le gaz à l’état vapeur en sortie de cuve puisse circuler directement au sein de la branche de traitement thermique et de traverser le troisième échangeur de chaleur avant d’être comprimé par le dispositif de compression et de poursuivre sa circulation jusqu’à l’appareil consommateur de gaz à basse pression ou au sein de la ligne de retour.
Selon une caractéristique de l’invention, le troisième échangeur de chaleur comprend une première passe installée sur la ligne de retour entre le premier échangeur de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur, et une deuxième passe installée sur la branche de traitement thermique. Autrement dit, lorsque le gaz à l’état vapeur circule au sein de la ligne de retour, celui-ci circule notamment au sein de la première passe du troisième échangeur de chaleur, ainsi qu’au sein d’une passe du premier échangeur de chaleur et d’une passe du deuxième échangeur de chaleur.
Plus précisément, le gaz à l’état vapeur est pré refroidi en circulant dans un premier temps au sein de la passe du deuxième échangeur de chaleur. Le gaz à l’état vapeur est ensuite refroidi en circulant au sein de la première passe du troisième échangeur de chaleur, et est enfin condensé en traversant la passe du premier échangeur de chaleur. On comprend ainsi que les échanges de chaleur sont effectués dans un ordre précis afin d’optimiser la condensation du gaz à l’état vapeur circulant dans la ligne de retour.
Selon une caractéristique de l’invention, le deuxième circuit d’alimentation comprend une zone de divergence où se séparent la branche de traitement thermique et le deuxième circuit d’alimentation et une zone de convergence où se rejoignent la branche de traitement thermique et le deuxième circuit d’alimentation, la branche de traitement thermique s’étendant entre la zone de divergence et la zone de convergence. Le gaz à l’état vapeur circule hors de la cuve jusqu’à rejoindre la zone de divergence puis circule soit directement dans le deuxième circuit d’alimentation, soit dans la branche de traitement thermique avant de rejoindre le deuxième circuit d’alimentation via la zone de convergence. Cette dernière est agencée au niveau du deuxième circuit d’alimentation en amont du dispositif de compression, par lequel le gaz à l’état vapeur doit nécessairement passer.
Selon une caractéristique de l’invention, le système d’alimentation comprend un organe de contrôle de la circulation de gaz au sein du deuxième circuit d’alimentation, la branche de traitement thermique étant en parallèle de l’organe de contrôle. L’organe de contrôle peut par exemple être une vanne pouvant être ouverte ou fermée afin de respectivement autoriser ou interdire la circulation de gaz à l’état vapeur au sein du deuxième circuit d’alimentation. Lorsque l’organe de contrôle est fermé, le gaz à l’état vapeur contourne alors l’organe de contrôle en circulant au sein de la branche de traitement thermique. A titre d’exemple, l’organe de contrôle peut être une vanne tout ou rien.
Selon une caractéristique de l’invention, la branche de traitement thermique comprend un dispositif de contrôle configuré pour contrôler la circulation de gaz à l’état vapeur au sein de la branche de traitement thermique. Tout comme pour l’organe de contrôle, le dispositif de contrôle peut être ouvert ou fermé pour autoriser ou interdire la circulation du gaz à l’état vapeur au sein de la branche de traitement thermique. Le dispositif de contrôle peut également être une vanne.
Selon une caractéristique de l’invention, le système d’alimentation comprend un moyen de détermination de la température du gaz prélevé à l’état vapeur dans la cuve et un dispositif de gestion qui commande l’organe de contrôle et le dispositif de contrôle. Comme cela a été mentionné précédemment, la circulation du gaz à l’état vapeur à travers la branche de traitement thermique est notamment dépendante de la température dudit gaz. La température du gaz à l’état vapeur contenu dans la cuve doit donc être déterminée par le moyen de détermination, ce dernier pouvant par exemple être un capteur de température. En fonction de la température du gaz, le dispositif de gestion commande l’organe de contrôle et le dispositif de contrôle afin de faire circuler le gaz à l’état vapeur dans le deuxième circuit d’alimentation ou dans la branche de traitement thermique. La circulation du gaz à l’état vapeur est gérée par le dispositif de gestion qui ferme l’organe de contrôle et ouvre le dispositif de contrôle ou inversement.
Selon une caractéristique de l’invention, le troisième échangeur de chaleur est configuré pour opérer un échange de chaleur entre le gaz à l’état vapeur circulant dans la ligne de retour, le gaz à l’état vapeur circulant dans la branche de traitement thermique et le gaz à l’état liquide circulant dans le premier circuit d’alimentation. Il s’agit d’une variante de la structure du troisième échangeur de chaleur qui permet d’optimiser davantage le refroidissement du gaz à l’état vapeur circulant dans la ligne de retour. L’échange de chaleur opéré au sein du troisième échangeur de chaleur se fait donc ici entre trois passes où le gaz circule à l’état vapeur ou à l’état liquide, l’objectif étant toujours de refroidir le gaz à l’état vapeur circulant dans la ligne de retour.
Selon une caractéristique de l’invention, le troisième échangeur de chaleur comprend une première passe installée sur la ligne de retour entre le premier échangeur de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur, une deuxième passe installée sur la branche de traitement thermique et une troisième passe installée sur le premier circuit d’alimentation entre le premier échangeur de chaleur et le deuxième échangeur de chaleur. L’échange de chaleur se fait donc entre les différentes passes du troisième échangeur de chaleur afin de refroidir le gaz à l’état vapeur circulant dans la première passe. La structure du troisième échangeur de chaleur peut être telle que les échanges de calories se font entre plusieurs groupes de passes rassemblées deux à deux ou entre les trois passes simultanément.
Selon une caractéristique de l’invention, au moins le deuxième échangeur de chaleur, le troisième échangeur de chaleur et l’évaporateur haute pression forment un module unitaire d’échange thermique. Autrement dit, deux ou trois éléments parmi le deuxième échangeur de chaleur, le troisième échangeur de chaleur et/ou l’évaporateur haute pression sont rassemblés en un seul échangeur de chaleur. Le nombre de passes au sein du module unitaire d’échange thermique est dépendant du nombre d’éléments rassemblés au sein de ce dernier. Une telle configuration peut être avantageuse par exemple afin de réduire l’encombrement mécanique du système d’alimentation.
Selon une caractéristique de l’invention, le système d’alimentation comprend au moins une branche de refroidissement du gaz prélevé à l’état vapeur dans la cuve raccordée au deuxième circuit d’alimentation en amont du dispositif de compression, le système d’alimentation comprenant au moins un échangeur thermique configuré pour opérer un échange de chaleur entre le gaz à l’état vapeur qui circule dans la branche de refroidissement et le gaz à l’état liquide qui circule dans le premier circuit d’alimentation. Il s’agit d’un deuxième mode de réalisation du système d’alimentation selon l’invention, le système d’alimentation décrit précédemment et comportant la branche de traitement thermique et non la branche de refroidissement correspondant à un premier mode de réalisation.
La branche de refroidissement a pour fonction de refroidir le gaz à l’état vapeur destiné à circuler au sein du deuxième circuit d’alimentation lorsque ledit gaz est à une température élevée. Le refroidissement du gaz à l’état vapeur contenu dans la cuve se fait grâce à l’échangeur thermique opérant l’échange de chaleur entre ledit gaz à l’état vapeur et le gaz à l’état liquide circulant dans le premier circuit d’alimentation.
- les découpes sont obtenues à partir d’un lé de préimprégné comprenant des fibres de carbone, de préférence le lé de préimprégné est recyclé ;
- le tackifiant comprend entre 20% et 85% en masse de résine époxy, de préférence environ 25% en masse de résine époxy,
- la résine époxy est de la résine PR520 et le solvant est de l’acétone ;
- le mélange comprend entre 65% et 85% en masse de tackifiant et entre 15% et 35% en masse de fibre coupée, de préférence environ 75% en masse de tackifiant et environ 25% en masse de fibre coupée ;
- les découpes présentent des longueurs comprises entre 1 mm et 15 mm, par exemple comprises entre 3 mm et 6 mm.
Optionnellement, l’aube peut comprendre en outre un matériau de remplissage disposé dans la cavité intérieure radialement entre le renfort et l’extrémité externe de l’aube.
Selon un quatrième aspect, la présente demande concerne un procédé de fabrication d’un renfort selon le premier aspect pour une aube de turbomachine, comprenant les étapes suivantes : E1 : Découpe d’au moins une fibre pour obtenir des découpes présentant des longueurs supérieures ou égales à 1 mm ; E2 : Préparation d’un tackifiant par solubilisation d’une résine époxy dans un solvant ; E3 : Mélange des découpes avec le tackifiant ; E4 : Compactage du mélange ; et E5 : Séchage du mélange compacté de sorte à évaporer le solvant.
Selon un cinquième aspect, la présente demande concerne un procédé de fabrication d’une aube de turbomachine selon le deuxième aspect, comprenant les étapes suivantes : Réalisation d’une préforme composite de l’aube composite, ladite préforme comprenant une première peau extérieure et une deuxième peau extérieure en matériau composite raccordées l’une à l’autre au niveau d’une extrémité externe de l’aube, la première peau comprenant une première partie d’extrémité interne, la deuxième peau comprenant une deuxième partie d’extrémité interne, la première partie d’extrémité interne et la deuxième partie d’extrémité interne étant distantes l’une de l’autre de sorte à délimiter entre elles une cavité intérieure de l’aube débouchant dans une ouverture au niveau d’une extrémité interne de l’aube, l’extrémité interne étant radialement opposée à l’extrémité externe ; Fabrication d’un renfort au moyen d’un procédé selon le quatrième aspect, le renfort présentant des dimensions sensiblement à des dimensions de la cavité intérieure au niveau de l’ouverture ; Mise en place du renfort dans la cavité intérieure de la préforme d’aube de sorte à boucher l’ouverture ; et Injection de résine dans l’ensemble comprenant la préforme d’aube et le renfort.
La illustre une vue schématique en coupe d’un outillage de type poinçon adapté pour mettre en œuvre un procédé de fabrication d’un renfort selon un mode de réalisation.
Le au moins un aimant 9 présente par exemple une forme de barrette (allongée et parallélépipèdique) ou de plaque, par exemple inférieure à trois millimètres.
Selon un exemple de réalisation, et comme représenté sur les figures 3a, 3b, 3c et 3d, au moins un aimant 9 s’étend axialement dans un élément rotorique 6 du rotor 4, avec une direction longitudinale parallèle à l’axe de rotation I des rotors 4. Le au moins un aimant 9 s’étend sur une surface d’extrémité latérale 6a de l’élément rotorique 6 configurée pour balayer (sans contact) une surface 10 latérale de la chambre de compression 3, afin d’échauffer la surface 10 latérale de la chambre de compression 3 du stator 2.
Dans l’exemple illustratif, la surface 10 latérale de la chambre de compression 3 est une surface cylindrique, la forme de la chambre de compression 3 s’inscrivant dans deux cavités cylindriques parallèles et parallèles à la direction axiale, les cavités cylindriques se chevauchant transversalement (figures 1 et 2). Le au moins un aimant 9 agencé sur une surface d’extrémité latérale 6a (sur le « dos » de l’élément rotorique 6) permet ainsi un chauffage « radial » de la chambre de compression 3.
La pompe à vide 1 comporte par exemple au moins un aimant 9 par élément rotorique 6 dans au moins une chambre de compression 3. Il y a par exemple un seul aimant 9 par surface d’extrémité latérale 6a d’élément rotorique 6 et celui-ci couvre par exemple la surface d’extrémité latérale 6a ( ) ou il y a plusieurs aimants 9 dans cette même surface 6a, par exemple deux (figures 3a, 3b, 3d).
Selon un autre exemple de réalisation, et comme représenté sur les figures 4a et 4b, au moins un aimant 9 s’étend dans un élément rotorique 6 du rotor 4, avec une face principale perpendiculaire à l’axe de rotation I des rotors 4 (figures 4a, 4b), par exemple radialement ( ). Le au moins un aimant 9 s’étend sur une surface d’extrémité transversale 6b de l’élément rotorique 6 configurée pour balayer (sans contact) une surface 12 transversale de la chambre de compression 3, pour échauffer la surface 12 transversale de la chambre de compression 3 du stator 2.
Dans l’exemple illustratif, la surface 12 transversale de la chambre de compression 3 est une surface plane, comme celle de la surface d’extrémité transversale 6b, perpendiculaire à l’axe de rotation I des rotors 4. Le au moins un aimant 9 agencé sur une surface d’extrémité transversale 6b (sur une face de l’élément rotorique 6) permet ainsi un chauffage « axial » de la chambre de compression 3.
La pompe à vide 1 comporte par exemple au moins un aimant 9 par élément rotorique 6 dans au moins une chambre de compression 3. Il y a par exemple un seul aimant 9 par surface d’extrémité transversale 6b d’élément rotorique 6 ( ) ou il y a plusieurs aimants 9 dans cette même surface 6b, par exemple deux ( ).
Il y a par exemple un ou plusieurs aimants 9 sur les deux surfaces d’extrémité transversale 6b de chaque élément rotorique 6 ( ).
Il y a par exemple au moins un aimant 9 dans au moins une surface d’extrémité transversale 6b et au moins un aimant 9 dans une surface d’extrémité latérale 6a.
La surface 12 transversale de la chambre de compression 3 est par exemple celle du fond de la chambre de compression 3 du premier ou du dernier étage de pompage T1 ou T5, la surface 12 transversale étant interposée entre la chambre de compression 3 et un support 13 de roulements 14 du stator 2 ( ). On peut ainsi chauffer de manière très locale la surface 12 transversale du fond de chambre de compression 3 du dernier ou premier étage de pompage T5 sans risquer d’endommager les roulements 14.
Lorsque la pompe à vide 1 comporte plus d’un aimant 9 par rotor 4, il est avantageux d’inverser la polarité des aimants 9 adjacents pour optimiser la génération des courants de Foucault. Les inversions de polarité peuvent être réalisées dans l’épaisseur ( ) ou dans la longueur, c’est-à-dire dans la direction axiale ( ) ou transversalement, c’est-à-dire perpendiculairement à la direction axiale (figures 3c, 3d, 4a et 4b) ou à chaque aimant adjacent ( , 4b) ou à chaque élément rotorique 6 adjacent comme on le verra plus loin.