TITRE : Aube de soufflante à dièdre nul en tête

DOMAINE DE L'INVENTION

L’invention concerne de manière générale le domaine des turbomachines, et plus particulièrement celui des aubes de soufflantes de ces turbomachines et leur procédé de fabrication.

L’invention s’applique plus particulièrement aux aubes de soufflante en matériau composite et leur interaction avec l’entrée de la veine primaire.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Les aubes de turbomachine, et notamment les aubes de soufflante, subissent d'importantes contraintes mécaniques et thermiques et doivent satisfaire à des conditions strictes de poids et d'encombrement. Il a donc été proposé d’utiliser des aubes comprenant des pales aérodynamiques réalisées dans un matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère, qui sont plus légères par rapport à des aubes métalliques à caractéristiques propulsives équivalentes et qui ont une tenue à la chaleur satisfaisante.

Afin de les rigidifier et de les protéger, notamment lors d’un choc d’un élément ingéré dans la turbomachine tel qu’un oiseau, les pales en matériau composite comprennent généralement un bouclier métallique rapporté et fixé sur le bord d’attaque de la pale. Le bouclier comprend, de manière connue en soi, un nez plein configuré pour venir en regard du bord d’attaque de l’aube et deux ailettes configurées pour recouvrir une partie de la paroi intrados et de la paroi extrados de l’aube.

Lors de la certification et de la vie d’un moteur, les aubes de soufflante sont soumises à des ingestions d’oiseaux et de grêlons. Toutefois, selon le type de l’objet impactant l’aube (et notamment sa taille, sa masse) et selon le type de soufflante (vitesse de rotation et nombre d’aubes), les zones privilégiées d’initiation et de propagation des endommagements sont différentes. Le comportement mécanique des aubes de soufflante est donc optimisé pendant la phase de conception des aubes pour respecter les règles de certification.

En particulier, dans le cas des soufflantes de grand diamètre telles que les soufflantes des turbomachines à très fort taux de dilution (« Ultra High Bypass Ratio » en anglais, UHBR) comprenant au plus 20 aubes de soufflante, lors de l’ingestion d’oiseaux de taille moyenne (« medium birds » en anglais), des endommagements sont susceptibles d’apparaître en tête d’aube et l’ailette extrados du bouclier peut se retourner et bloquer localement le flux aérodynamique. Toutefois, un tel blocage du flux aérodynamique a pour conséquence de réduire la poussée pouvant être atteinte par la turbomachine. Or, les exigences actuelles en matière de sécurité sont qu’une turbomachine doit être capable, malgré un impact d’objet, d’assurer les 75 % de sa poussée au décollage.

Il a donc été proposé de réduire la longueur des ailettes, afin de diminuer la surface de blocage du flux aérodynamique en cas de retournement de l’ailette extrados. Toutefois, lors de l’ingestion d’oiseaux de taille moyenne, le bord aval des ailettes a tendance à pincer la structure en matériau composite de l’aube qui a alors tendance se détériorer. Pour limiter ce pincement, il est donc préférable d’augmenter la longueur des ailettes pour que leur bord se trouve en regard d’une partie plus épaisse de la structure en matériau composite. Cependant, cela implique une augmentation de la surface de blocage du flux aérodynamique en cas de retournement des ailettes.

EXPOSE DE L'INVENTION

Un but de l’invention est de proposer une aube de soufflante et une soufflante d’une turbomachine, notamment d’une soufflante de grand diamètre et comprenant au plus vingt aubes de soufflante, qui garantisse la capacité de la soufflante à assurer au moins 75% de sa poussée au décollage malgré un impact d’oiseau de moyenne taille.

Un autre objectif de l’invention est de proposer une aube de soufflante et une soufflante d’une turbomachine, notamment d’une soufflante de grand diamètre et comprenant au plus vingt aubes de soufflante présentant un compromis aéro-mécanique optimisé.

Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention une aube de soufflante d’une turbomachine comprenant :

- une structure en matériau composite comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel et une matrice dans laquelle est noyé le renfort fibreux, la structure en matériau composite comprenant une pale à profil aérodynamique propre à s’étendre dans un flux d’air comprenant un bord d’attaque et un bord de fuite, un pied configuré pour être fixé à un disque de soufflante et une échasse s’étendant entre le pied et la pale, la pale présentant une hauteur prédéterminée entre échasse et un sommet de la pale selon un axe d’empilement ; et

- un bouclier métallique, rapporté et fixé sur le bord d’attaque de la pale, le bouclier métallique comprenant un nez fixé sur le bord d’attaque.

Par ailleurs, une corde de l’aube est définie, dans un plan normal à l’axe d’empilement, entre une extrémité amont du nez du bouclier et le bord de fuite, et sur une portion de l’aube qui s’étend depuis une limite inférieure située à une distance prédéterminée de Péchasse au moins égale à 80 % de la hauteur prédéterminée jusqu’au sommet de la pale, un angle de dièdre mesuré en au moins un point prédéfini de la corde de l’aube, situé sur la corde de l’aube au niveau de l’extrémité amont du nez du bouclier, est supérieur ou égal à - 3° et inférieur ou égal à 0°.

Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de l’aube de soufflante selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : le nez et les ailettes du bouclier délimitent ensemble une cavité logeant le bord d’attaque de la pale et le point prédéfini de la corde est situé au sein de la cavité ; l’angle de dièdre est supérieur ou égal à - 3° et inférieur ou égal à 0° en plusieurs points prédéfinis de la corde de l’aube au sein de la portion de l’aube ; au sein de la portion, l’angle de dièdre est supérieur ou égal à - 3° et inférieur ou égal à 0° sur une distance au moins égale à 10 % de la hauteur prédéterminée, de préférence sur une distance au moins égale à 15 % de la hauteur prédéterminée ; au sein de la portion, l’angle de dièdre est supérieur ou égal à - 3° et inférieur ou égal à 0° sur toute la hauteur de la portion 15 ; au sein de la portion, une variation de l’angle de dièdre le long de l’axe d’empilement sur une distance égale à 10 % de la hauteur de la pale est au plus égale à 3° ; au sein de la portion, l’angle de dièdre est supérieur ou égal à -2° et inférieur ou égal à 0°, de préférence supérieur ou égal à -1 ° et inférieur ou égal à 0° ; et/ou les ailettes s’étendent sur une longueur supérieure ou égale à 15 % et inférieure ou égale à 25 % d’une longueur de corde de la pale.

Selon un deuxième aspect, l’invention propose une soufflante pour une turbomachine comprenant une pluralité d’aubes de soufflante selon le premier aspect.

Optionnellement, la soufflante comprend au plus vingt aubes de soufflante et/ou présente un diamètre externe de la soufflante est compris entre quatre-vingt pouces et cent pouces, de préférence entre quatre-vingt pouces et quatre-vingt-dix pouces.

Selon un troisième aspect, l’invention propose une turbomachine comprenant une soufflante selon le deuxième aspect.

Optionnellement, la turbomachine présente un taux de dilution supérieur ou égal à 10, par exemple compris entre 10 et 80 inclus.

Selon un quatrième aspect, l’invention propose un aéronef comprenant au moins une turbomachine conforme au troisième aspect.

DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 illustre de façon schématique une aube selon un premier mode de réalisation de l’invention.

La figure 2 est une vue en couple partielle de l’amont de l’aube selon un mode de réalisation de l’invention.

La figure 3 est une vue schématique de rotor de soufflante incluant des aubes conformes à un mode de réalisation de l’invention, en représentation en section selon un plan perpendiculaire à l’axe de révolution de la soufflante.

La figure 4 est une vue en section de l’aube selon un mode de réalisation de l’invention, selon un plan qui est d’une part parallèle à l’axe de rotation de la soufflante et d’autre part perpendiculaire à une direction dans laquelle d’aube s’étend radialement.

La figure 5 est une vue schématique en perspective du rotor de soufflante ayant des aubes selon l’invention.

La figure 6 est une vue schématique d’un aéronef comprenant une turbomachine comprenant une soufflante pourvue d’aubes selon l’invention.

Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du gaz dans la soufflante 1 à travers la turbomachine. Par ailleurs, on appelle axe de révolution de la soufflante 1 turbomachine, l'axe X de symétrie radiale de la soufflante 1. La direction axiale correspond à la direction de l'axe X de la soufflante 1 , et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe et passant par lui. Enfin, on utilisera interne et externe, respectivement, en référence à une direction radiale de sorte que la partie ou la face interne d'un élément est plus proche de l'axe X que la partie ou la face externe du même élément.

Une soufflante 1 de turbomachine comprend un disque 2 de soufflante portant une pluralité d’aubes de soufflante 3, associées le cas échéant à des plateformes inter-aubes.

L’invention s’applique de manière privilégiée à une soufflante comprenant au plus vingt aubes 3 dans une turbomachine à très fort taux de dilution, c’est-à-dire dont le taux de dilution est supérieur ou égal à 10, par exemple compris entre 10 et 80 inclus, par exemple plus précisément 12 ou 14 ou 20 ou supérieur à 20. Pour calculer le taux de dilution, le débit du flux secondaire et le débit du flux primaire sont mesurés lorsque la turbomachine est stationnaire en régime de décollage dans une atmosphère standard (telle que définie par le manuel de l’Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), Doc 7488/3, 3e édition) et au niveau de la mer.

Chaque aube 3 comprend une structure en matériau composite comportant un renfort fibreux 4 obtenu par tissage tridimensionnel et une matrice dans laquelle est noyé le renfort fibreux 4. Cette structure en matériau composite comprend un pied 5, une échasse 6 et une pale 7 à profil aérodynamique. Le pied 5 est destiné à permettre la fixation de l’aube au disque 2 de soufflante et s’étend à cet effet entre un fond d’une empreinte formée dans le disque 2 et la sortie des portées de l’empreinte. La pale 7 à profil aérodynamique quant à elle est propre à être placée dans un flux d’air, lorsque la turbomachine est en fonctionnement, afin de générer une portance. Enfin, échasse 6 correspond à la zone de la pale 7 qui s’étend entre le pied 5 et la pale 7, c’est-à-dire entre la sortie des portées du disque 2 et les plateformes inter-aubes.

La pale 7 comprend également, de manière connue en soi, un bord d’attaque 8, un bord de fuite 9, une paroi intrados et une paroi extrados. Le bord d’attaque 8 est configuré pour s’étendre en regard de l'écoulement des gaz entrant dans la turbomachine. Il correspond à la partie antérieure d'un profil aérodynamique qui fait face au flux d'air et qui divise l'écoulement d'air en un écoulement d'intrados et en un écoulement extrados. Le bord de fuite 9 quant à lui correspond à la partie postérieure du profil aérodynamique, où se rejoignent les écoulements intrados et extrados.

L’aube 3 comprend un outre un bouclier 12 métallique, rapporté et fixé sur le bord d’attaque 8 de la pale. De manière connue en soi, le bouclier 12 comprend un nez 13 plein, fixé sur le bord d’attaque 8, une ailette 14 intrados et une ailette 14 extrados plaquées et fixées sur la paroi intrados et la paroi extrados de la pale 7, respectivement. Le bouclier 12 peut notamment être fixé par collage. Le bouclier 12 peut par exemple être réalisé dans un alliage de titane.

Enfin, la structure est formée d’une pluralité de sections d’aube 3 empilées depuis le pied 5 en direction du sommet 11 selon un axe d’empilement Z s’étendant radialement par rapport à l’axe de révolution X de la soufflante 1. Une loi d'empilement tangentiel de l’aube correspond alors à la position du centre de gravité de chaque section de l'aube dans un plan normal à l’axe d’empilement Z, par rapport à cet axe d’empilement Z.

Plus précisément, l’empilement des sections de pale 7 peut être défini par les angles de flèche et de dièdre. Ces angles mesurent les différences des directions entre l'écoulement et les aubes, en projection respectivement dans un plan radial et axial et un plan axial et tangent à la direction de rotation de la turbomachine. On pourra notamment se référer au document de (y H. Smith et al. « Sweep and Dihedral Effects in Axial-Flow Turbomachinery », Septembre 1963, Journal of Basic Engineering, 401-414, pour une définition plus complète de l’angle de flèche et de l’angle D de dièdre.

Si l'écoulement est purement axial, ce qui est globalement le cas à l'entrée de la machine, et si on considère pour l’exemple un aubage fixe avec un calage constant sur sa hauteur, l'angle de flèche exprime l'inclinaison de l'aube en direction axiale, et l'angle D de dièdre, l'inclinaison de l'aube en direction tangentielle. Un signe négatif de l'angle de flèche exprime une inclinaison vers l'amont, et un signe positif, vers l'aval ; et un signe négatif de l'angle D de dièdre exprime une inclinaison vers l'intrados, et un signe positif, vers l'extrados. Les inclinaisons sont définies à partir de directions radiales vers l'extérieur.

Dans ce qui suit, par « hauteur » on désignera une distance suivant l’axe d’empilement Z.

Ainsi, la pale 7 présente une hauteur prédéterminée h correspondant à la distance suivant l’axe d’empilement Z entre sa limite inférieure 10, à l’intersection avec échasse 6, et son sommet 11. La hauteur prédéterminée h de la pale 7 peut par exemple être mesurée à l’intersection entre le bord d’attaque 8 et la limite inférieure 10 de la pale 7.

L’aube 3 présente en outre une corde (segment de droite fictif) définie, dans un plan normal à l’axe d’empilement Z, entre une extrémité amont 13a du nez 13 du bouclier 12 et le bord de fuite 9. En pratique, l’extrémité amont 13a du nez 13 correspond au bord d’attaque de l’aube 3, c’est-à-dire la partie amont du bouclier 12 qui divise réellement l'écoulement d'air en un écoulement d'intrados et en un écoulement extrados. Le bord d’attaque 8 de la pale 7 quant à lui s’étend à l’intérieur du bouclier 12, en face du nez 13, dans le prolongement de son extrémité amont 13a.

Afin d’améliorer la résistance de l’aube 3 de soufflante aux impacts (notamment aux oiseaux de taille moyenne), au sein d’une portion 15 de l’aube 3 qui s’étend depuis une limite 16 inférieure située à une distance prédéterminée de Péchasse 6 au moins égale à 80 % de la hauteur prédéterminée h jusqu’au sommet 11 de la pale 7, un angle D de dièdre (schématisé à la figure 3 et à la figure 4) mesuré en au moins un point prédéfini de la corde de l’aube 3 est supérieur ou égal à - 3° et inférieur ou égal à 0°. Dans une forme de réalisation, au sein de la portion 15, l’angle D de dièdre est supérieur ou égal à - 3° et inférieur ou égal à 0° sur une distance au moins égale à 10 % de la hauteur prédéterminée, de préférence sur une distance au moins égale à 15 % de la hauteur prédéterminée. Dans une forme de réalisation, l’angle D de dièdre est supérieur ou égal à - 3° et inférieur ou égal à 0° sur toute la hauteur de la portion 15 : en d’autres termes, dans cette forme de réalisation, l’angle D de dièdre est supérieur ou égal à - 3° et inférieur ou égal à 0° dans chaque section de l’aube 3, c’est-à-dire au niveau de l’au moins un point P prédéfini de chaque corde C sur toute la hauteur de la portion 15, entre 80 % et 100% de la hauteur h.

De la sorte, en cas de décollement de l’ailette 14 extrados, la forme de l’aube 3 au niveau de cette portion 15 a tendance à plaquer l’ailette 14 extrados contre la paroi extrados de la pale 7 sous l’effet des efforts centrifuges. En effet, dans cette portion 15 de l’aube 3, l’aube 3 est légèrement inclinée vers l’intrados, ce qui contre les efforts centrifuges appliqués à la paroi extrados.

De préférence, le point de la corde au niveau duquel est mesuré l’angle D de dièdre est situé au niveau du bouclier 12, c’est-à-dire au sein de la cavité du bouclier 12 qui loge le bord d’attaque et qui est délimitée par le nez 13 et les ailettes 14 du bouclier 12.

En variante, le point de la corde peut s’étendre au niveau de l’extrémité amont 13a du nez 13 du bouclier 12, c’est-à-dire au niveau du bord d’attaque de l’aube 3. Cette position du point de la corde présente l’avantage de simplifier la mesure et le contrôle de l’angle D de dièdre au niveau de la portion 15, tout en garantissant que la portion 15 de l’aube 3 se trouve légèrement inclinée vers l’intrados et évite le retournement de l’ailette 14.

Dans une forme de réalisation, au sein de cette portion 15 de l’aube 3, l’angle D de dièdre est supérieur ou égal à -3° et inférieur ou égal à 0° en plusieurs points de la corde.

Dans une forme de réalisation, dans cette portion 15 de l’aube 3, l’angle D de dièdre est le plus proche de 0° tout en restant négatif. Ainsi, dans une forme de réalisation, l’angle D de dièdre est de préférence supérieur ou égal à -2°, typiquement supérieur ou égal à -1 °, et inférieur ou égal à 0°.

Grâce à la configuration de l’aube 3 dans la portion 15, les ailettes 14 intrados et extrados du bouclier 12 peuvent être allongées en comparaison avec l’art antérieur, réduisant ainsi les risques de pincement du renfort fibreux 4 en cas d’ingestion (le renfort fibreux 4 étant plus épais à distance du bord d’attaque 8). Typiquement, au moins au niveau de la portion 15 et sur toute la hauteur de cette portion 15, les ailettes 14 intrados et extrados s’étendent sur une longueur supérieure ou égale à 15 % et inférieure ou égale à 25 % de la longueur de corde de la pale. Par corde de la pale, on comprendra ici le segment reliant le bord d’attaque 8 et le bord de fuite 7, dans un plan normal à l’axe Z d’empilement. Par longueur de corde, on comprendra la longueur de ce segment. Par longueur d’une ailette 14, on comprendra ici la projection de cette ailette 14 sur la corde dans le plan normal à l’axe Z.

Dans une forme de réalisation, la soufflante 1 présente un diamètre externe compris entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et cent pouces (254.0 centimètres), de préférence entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et quatre-vingt-dix pouces (228.6 centimètres).

Le renfort fibreux 4 peut être formé à partir d’une préforme fibreuse en une seule pièce obtenue par tissage tridimensionnel ou multicouche avec épaisseur évolutive. Il comprend des torons de chaîne et de trame qui peuvent notamment comprendre des fibres en carbone, en verre, en basalte, et/ou en aramide. La matrice quant à elle est typiquement une matrice polymère, par exemple époxyde, bismaléimide ou polyimide. L’aube 3 est alors formée par moulage au moyen d’un procédé d’injection sous vide de résine du type RTM (pour « Resin Transfer Moulding), ou encore VARRTM (pour Vacuum Resin Transfer Molding).