Procédé de conception d'une préforme commune pour la réalisation de préformes d'aubes directrices de sortie de turbomachine en matériau composite à profils géométriques différents

Arrière-plan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général des aubes directrices de sortie de turbomachine réalisées en matériau composite. Elle concerne plus précisément l'élaboration du profil géométrique des préformes fibreuses utilisées pour la fabrication de telles aubes directrices de sortie.

Dans une turbomachine, le carter intermédiaire est un élément structural du moteur qui comprend un moyeu supportant les arbres des différents rotors du turboréacteur. Un carter annulaire extérieur est relié au moyeu du carter intermédiaire par des bras de liaison radiaux destinés notamment à transmettre une partie des efforts entre le moteur et son support et par une pluralité d'aubes directrices de sortie (également OGV pour « Outlet Guide Vane ») destinées à redresser le flux secondaire dans l'axe du moteur.

La présence de bras de liaison au sein du carter intermédiaire génère une perturbation aérodynamique importante pour les aubes directrices de sortie. Ces aubes directrices de sortie (comprises typiquement entre 30 et 50) doivent donc encaisser la perturbation aérodynamique induite par ces bras de liaison. A cet effet, le profil géométrique de ces aubes évolue graduellement sur toute la circonférence de la roue d'OGV. A titre d'exemple, pour une roue d'OGV munie de 40 aubes directrices de sortie, entre 7 à 10 profils géométriques différents peuvent être nécessaires.

Par ailleurs, il est connu d'avoir recours aux matériaux composites pour la réalisation de différentes pièces d'une turbomachine aéronautique. Ces pièces peuvent ainsi être obtenues par réalisation d'une préforme fibreuse et densification de la préforme par une matrice. Selon l'application envisagée, la préforme peut être en fibres de verre, carbone ou céramique et la matrice peut être en un matériau organique (polymère), en carbone ou en céramique. On pourra se référer à la demande de brevet internationale PCT/FR2012/052853 déposée le 10 décembre 2012 qui décrit un exemple de fabrication d'aubes directrices de sortie en matériau composite.

L'utilisation de N profils géométriques différents pour réaliser une même roue d'OGV d'une turbomachine nécessite de multiplier par N les étapes de fabrication des aubes directrices de sortie en matériau composite, ce qui augmente d'autant le coût et la durée de fabrication de la roue d'OGV.

Obiet et résumé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant d'optimiser et de rationaliser la conception d'une roue d'OGV de turbomachine.

Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un procédé de conception d'une préforme commune pour la réalisation de plusieurs préformes d'aubes directrices de sortie de turbomachine en matériau composite à profils géométriques différents, la préforme commune étant réalisée à partir d'une structure fibreuse tissée en une seule pièce par tissage tridimensionnel, ladite structure fibreuse ayant une première et une seconde partie comprenant chacune une pluralité de couches de fils et formant chacune une partie de l'épaisseur de la structure fibreuse, les parties de la structure fibreuse étant liées entre elles tout en ménageant une déliaison supérieure et une déliaison inférieure séparant la première partie de la deuxième partie sur une partie de la dimension de la structure fibreuse à partir de bords opposés de la structure fibreuse, le procédé étant mis en œuvre par un logiciel graphique équipant une station de travail et comprenant :

- la modélisation géométrique en 3D des profils géométriques des différentes préformes d'aubes directrices de sortie ;

- la mise à plat de chacun des profils géométriques des différentes préformes d'aubes directrices de sortie ;

- la superposition des profils géométriques des différentes préformes d'aubes directrices de sortie mis à plat ; et

- la convergence vers un unique profil géométrique de préforme d'aube directrice de sortie commun pour l'ensemble des préformes d'aubes directrices de sortie tout en garantissant un positionnement identique des déliaisons supérieures et des déliaisons inférieures pour l'ensemble des préformes d'aubes directrices de sortie.

Le procédé selon l'invention est remarquable en ce qu'il propose de réaliser une préforme fibreuse commune qui pourra être utilisée pour former les N profils géométriques différents de toutes les aubes directrices de sortie d'une même roue d'OGV. En dessinant une seule et même préforme fibreuse pour réaliser les N profils géométriques différents des aubes directrices de sortie, la conception de la roue d'OGV se trouve considérablement simplifiée. En particulier, il n'est plus nécessaire de multiplier les étapes de fabrication des aubes par le nombre d'aubes directrices de sortie formant la roue d'OGV.

De préférence, la convergence vers un unique profil géométrique est réalisée en limitant les différences de décadrage entre les différents profils géométriques des préformes d'aubes directrices de sortie.

De préférence également, la convergence vers un unique profil géométrique est réalisée en limitant les différences d'épaisseur entre les différents profils géométriques des préformes d'aubes directrices de sortie.

L'invention a également pour objet une aube directrice de sortie de turbomachine fabriquée à partir d'une préforme obtenue par un procédé tel que défini précédemment.

De même, l'invention concerne une roue d'aubes directrices de sortie de turbomachine comprenant une pluralité d'aubes directrices de sortie fabriquées à partir d'une préforme commune. Cette préforme peut être obtenue par un procédé tel que défini précédemment.

L'invention a encore pour objet une turbomachine comprenant une telle roue.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :

- la figure 1 est une vue schématique de face d'une roue d'OGV de turboréacteur ;

- la figure 2 est une vue schématique d'une aube directrice de sortie équipant la roue d'OGV de la figure 1 ; et - les figures 3 à 5 illustrent différentes étapes de mise en œuvre du procédé selon l'invention.

Description détaillée de l'invention

L'invention est relative à la conception d'une roue d'aubes directrices de sortie (également appelée roue d'OGV pour « Outlet Guide Vane ») de turbomachine réalisées en matériau composite telle que la roue 2 illustrée par la figure 1.

De façon connue, une roue d'OGV 2 de carter intermédiaire est disposée derrière la soufflante de la turbomachine pour redresser le flux secondaire dans l'axe du moteur. Cette roue comprend notamment d'un moyeu 4 sur lequel sont montées plusieurs aubes directrices de sortie 6 (par exemple au nombre de 40).

La roue d'OGV 2 comprend également deux bras de liaison radiaux 7 qui sont destinés notamment à transmettre une partie des efforts entre le moteur et son support. Sur l'exemple de la figure 2, ces bras de liaison sont disposés à 12h et à 6h.

Comme représenté sur la figure 2, chaque aube directrice de sortie 6 de la roue d'OGV comprend une pale 8 se terminant à une extrémité radiale intérieure par une plateforme intérieure 10 destinée à être montée sur le moyeu 4 de la roue d'OGV 2 et à une extrémité radiale extérieure par une plateforme extérieure 12 destinée à être fixée sur une virole extérieure (non représentée sur les figures). L'aube directrice de sortie 6 présente une section de forme sensiblement en I comme montré en tirets sur la figure 2.

La cambrure et le profil aérodynamique des pales 8 des aubes directrices de sortie 6 varient pour une même roue d'OGV 2. Par exemple, pour une roue d'OGV comprenant 40 aubes directrices de sortie, il peut y avoir 7 profils différents de cambrure et de profil aérodynamique de pale.

La fabrication de ces aubes directrices de sortie 6 en matériau composite, on pourra se référer à la demande de brevet internationale PCT/FR2012/052853 déposée par la Demanderesse le 10 décembre 2012 et dont le contenu est incorporé ici par référence.

En résumé, pour la fabrication d'une aube directrice de sortie on utilise une structure fibreuse tissée 3D en une seule pièce ayant deux parties formant respectivement une première et une deuxième partie de l'épaisseur de la structure fibreuse. Chaque partie comprend une pluralité de couches superposées de fils de chaîne et les deux parties de l'ébauche fibreuse sont liées entre elles par des fils de trame d'une pluralité de couches de fils de trame tout en ménageant une déliaison supérieure et une déliaison inférieure séparant la première partie de la deuxième partie sur une partie de la dimension de la structure fibreuse à partir de bords opposés de la structure fibreuse. Chaque déliaison s'étend depuis un bord de la structure fibreuse jusqu'à un fond de déliaison.

Par déliaison, on entend ici une zone qui n'est pas traversée par des fils de trame liant entre eux des fils de chaîne de couches appartenant respectivement aux deux parties de la structure fibreuse.

Une préforme fibreuse à section sensiblement en forme de I peut ensuite être obtenue à partir d'une telle structure fibreuse notamment en dépliant les portions des parties de la structure fibreuse qui bordent les déliaisons inférieure et supérieure. La portion de l'ébauche fibreuse pour laquelle les deux parties sont liées entre elles est également mise en forme pour donner une cambrure et un profil aérodynamique à la pale de l'aube directrice de sortie. La préforme fibreuse ainsi obtenue est alors densifiée par une matrice pour obtenir une aube directrice de sortie telle qu'illustrée sur la figure 2.

L'invention a pour objet un procédé de conception d'une préforme commune pour la réalisation de préformes fibreuses destinées à la fabrication de plusieurs aubes directrices de sortie 6 (c'est-à-dire au moins deux) de la roue d'OGV 2.

Conformément à ce procédé, il est d'abord prévu de modéliser géométriquement en trois dimensions (3D) les profils des différentes préformes d'aubes directrices de sortie pour lesquelles on souhaite concevoir une préforme commune. Cette étape de modélisation est réalisée à l'aide d'un logiciel graphique adéquat équipant une station de travail.

Comme représenté sur la figure 3, le profil géométrique 100 ainsi modélisé en 3D de chaque préforme d'aube directrice de sortie comprend une partie 102 constitutive de plateforme intérieure, une partie 104 constitutive de plateforme extérieure et une partie 106 constitutive de pale. Chaque profil géométrique 100 est ensuite mis à plat pour obtenir un profil géométrique 200 en deux dimensions (2D). Cette étape, qui est également réalisée au moyen d'un logiciel graphique, consiste à déplier et à aplanir le profil géométrique 3D de la préforme. Les références 202, 204 et 206 sur la figure 3 désignent respectivement les parties constitutives de plateforme intérieure, de plateforme extérieure et de pale une fois mises plat.

A partir du profil géométrique 2D de chaque préforme, l'étape suivante du procédé selon l'invention consiste à réaliser une superposition graphique des profils géométriques 2D des différentes préformes d'aubes directrices de sortie.

La figure 4 représente un exemple de superposition graphique de trois profils géométriques 2D différents, respectivement 200a à 200c. Sur cette figure, sont également représentés pour chaque profil géométrique 200a-200c le fond de déliaison 202a-202c pour la déliaison supérieure et le fond de déliaison 204a-204c pour la déliaison supérieure (ces fonds de déliaison sont les lignes jusqu'où s'étendent les déliaisons inférieures et supérieures).

Au moyen du logiciel graphique, l'opérateur va alors modifier les profils géométriques 2D ainsi superposés pour assurer une convergence graphique de profil de façon à obtenir un unique profil géométrique 2D de préforme d'aube directrice de sortie qui soit commun pour l'ensemble des préformes d'aubes directrices de sortie.

Cette convergence de profil doit permettre de garantir qu'une seule même préforme puisse traduire l'ensemble des préformes d'aubes directrices de sortie. En particulier, les contours des parties de préforme constitutives de pales d'aubes doivent être tous identiques.

De plus, la convergence de profil est réalisée en garantissant un positionnement identique des fonds des déliaisons supérieures et des déliaisons inférieures pour l'ensemble des préformes d'aubes directrices de sortie.

De préférence, cette étape d'établissement d'une convergence vers un unique profil géométrique 2D de préforme est réalisée également en limitant les différences de décadrage entre les différents profils géométriques 2D des préformes d'aubes directrices de sortie (par exemple l'écart de décadrage ne doit pas dépasser 10° entre les différents profils géométriques).

Par décadrage des profils géométriques, on entend ici les déformations induites sur les profils géométriques 2D par la mise en forme de ces profils pour obtenir les profils géométriques 3D des préformes des différentes aubes directrices de sortie.

La figure 5 illustre un aperçu des décadrages simulés numériquement sur trois profils géométriques 2D différents 200a à 300c de préformes d'aubes directrices de sortie. Sur cette figure, les déformations importantes sont symbolisées par zones claires tandis que les déformations faibles sont symbolisées par des zones foncées.

Les déformations que subissent les profils suivent une loi de comportement de la texture tissée 3D qui est définie à partir d'essais passés. En pratique, ces déformations sont implémentées dans un logiciel de simulation de mise en forme d'une texture tissée 3D qui équipe la station de travail.

Sur la figure 5, on constate que les différences de décadrage entre les trois profils géométriques différents 200a à 300c sont relativement réduites.

De même, toujours au cours de l'étape d'établissement d'une convergence vers un unique profil géométrique 2D de préforme, il est de préférence chercher à limiter les différences d'épaisseur entre les différents profils géométriques 2D des préformes d'aubes directrices de sortie.

L'épaisseur des profils géométriques est simulée à partir du même logiciel de simulation de mise en forme d'une texture tissée 3D que celui utilisé pour la simulation des déformations. Avec un tel logiciel, il est possible de repérer un endroit du profil géométrique 2D et de connaître sa destination sur le profil 3D. L'emplacement correspondant sur le profil 2D doit donc présenter l'épaisseur nécessaire en son point de destination sur le profil 3D. Cette opération est réitérée en tout point du profil de la préforme.

On notera que la recherche d'une convergence entre l'ensemble des profils géométriques 2D pour obtenir un unique profil géométrique 2D de préforme en prenant en compte les impératifs mentionnés ci-dessus (à savoir positionnement identique des déliaisons, limitation des différences de décadrages et d'épaisseurs) est réalisée au moyen du logiciel graphique équipant la station de travail.

On notera également qu'en cas de divergences trop importantes entre les différents profils géométriques de préforme (en termes de contours, de positionnement des fonds des déliaisons ou de décadrage), la stratégie de drapage choisie est modifier de sorte à limiter ces divergences.

Une fois établi le profil géométrique 2D commun pour l'ensemble des préformes d'aubes directrices de sortie, celui-ci est classiquement utilisé pour la définition des préformes tissées 3D des différentes aubes directrices de sortie.