FR2945573A1 - Mandrin pour la fabrication d'un carter en materiau composite pour une turbine a gaz. - Google Patents

Mandrin pour la fabrication d'un carter en materiau composite pour une turbine a gaz. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un mandrin (10) pour la fabrication d'un carter en matériau composite pour une turbine à gaz, le carter étant obtenu par la formation d'un renfort fibreux par des couches superposées d'une texture fibreuse et la densification du renfort fibreux par une matrice. Le mandrin comprend une paroi annulaire (12) dont le profil de la surface extérieure correspond à celui de la surface intérieure du carter à fabriquer, et deux flasques latéraux (14), la paroi annulaire du mandrin comprenant des moyens amovibles (100) d'accrochage d'une couche de texture fibreuse destinés à maintenir mécaniquement la première couche de la texture fibreuse lors de l'enroulement de celle-ci sur le mandrin.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des carters de turbine à gaz, et plus particulièrement des carters de rétention pour soufflante de turbine à gaz pour moteurs aéronautiques.
Dans un moteur aéronautique à turbine à gaz, un carter de soufflante remplit plusieurs fonctions. Il définit la veine d'entrée d'air dans le moteur, supporte un matériau abradable en regard du sommet des aubes de la soufflante, supporte une structure éventuelle d'absorption d'ondes sonores pour le traitement acoustique en entrée du moteur et incorpore ou supporte un bouclier de rétention. Ce dernier constitue un piège retenant les débris, tels que des objets ingérés ou des fragments d'aubes endommagées, projetés par la centrifugation, afin d'éviter qu'ils traversent le carter et atteignent d'autres parties de l'aéronef. La réalisation d'un carter de rétention de soufflante en matériau composite a déjà été proposée. On pourra par exemple se référer au document EP 1,961,923 qui décrit la fabrication d'un carter en matériau composite à épaisseur évolutive comprenant la formation d'un renfort fibreux par des couches superposées d'une texture fibreuse et la densification du renfort fibreux par une matrice. Selon cette invention, la texture fibreuse est réalisée par tissage tridimensionnel avec épaisseur évolutive et est enroulée en plusieurs couches superposées sur un mandrin de profil correspondant à celui du carter à fabriquer. La préforme fibreuse ainsi obtenue est maintenue sur le mandrin et une imprégnation par résine est réalisée avant polymérisation. L'enroulement sur un mandrin d'une texture tissée d'épaisseur évolutive comme décrit dans ce document permet de disposer directement d'une préforme tubulaire ayant le profil désiré avec épaisseur variable. En pratique, la mise en oeuvre de ce procédé pose le problème du maintien de la préforme fibreuse lors de son enroulement sur le mandrin. Lors de cet enroulement, il convient en effet d'exercer un effort de traction suffisant sur chaque couche de texture fibreuse pour assurer un compactage efficace de celles-ci. Cela nécessite en particulier que la première couche de texture fibreuse qui est enroulée sur le mandrin soit correctement arrimée à celui-ci avant d'enrouler les couches suivantes.35 Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un mandrin qui permet d'assurer le maintien de la texture fibreuse sur celui-ci lors de son enroulement.
Ce but est atteint grâce à un mandrin pour la fabrication d'un carter en matériau composite pour une turbine à gaz comprenant une paroi annulaire dont le profil de la surface extérieure correspond à celui de la surface intérieure du carter à fabriquer, et deux flasques latéraux, caractérisé en ce que la paroi annulaire du mandrin comprend des moyens amovibles d'accrochage d'une couche de texture fibreuse destinés à maintenir mécaniquement la première couche de la texture fibreuse lors de l'enroulement de celle-ci sur le mandrin. Le mandrin selon l'invention présente de nombreux avantages. En particulier, il permet d'assurer une mise sous tension mécanique de la préforme fibreuse lors de son enroulement sur le mandrin afin d'optimiser son compactage. En outre, les moyens d'accrochage de ce mandrin sont amovibles de sorte qu'ils peuvent être retirés avant l'imprégnation par résine afin d'éviter tout risque de dégradation de la préforme lors de l'opération de polymérisation à chaud. Enfin, le maintien de la première couche de texture fibreuse sur le mandrin est mécanique (et non chimique) ce qui lui assure une totale innocuité sur la préforme avant l'imprégnation par résine. Avantageusement, le mandrin comprend une plaque amovible d'accrochage d'une couche de texture fibreuse destinée à être logée dans un évidement de forme correspondante qui traverse la paroi annulaire du mandrin, la surface extérieure de la plaque reconstituant en situation le profil de la surface extérieure de la paroi annulaire et présentant une pluralité de pointes faisant saillie radialement vers l'extérieur et qui sont destinées à maintenir mécaniquement la première couche de la texture fibreuse lors de l'enroulement de celle-ci sur le mandrin. Avantageusement encore, les pointes de la plaque d'accrochage forment en situation un angle compris entre 0° et 20° par rapport à la normale à la surface extérieure de la paroi annulaire du mandrin. Un tel angle permet d'optimiser l'accrochage de la première couche de texture fibreuse sur le mandrin et ainsi son enroulement sous tension.
Les pointes de la plaque d'accrochage s'étendent depuis la surface extérieure de la plaque de préférence sur une hauteur de l'ordre de 4 mm environ. Une telle hauteur est inférieure à l'épaisseur d'une couche de texture fibreuse destinée à la réalisation d'un carter de rétention de soufflante de turbomachine aéronautique. La plaque d'accrochage et le mandrin peuvent être réalisés en aluminium et les pointes en acier. L'aluminium est en l'espèce bien adapté puisqu'il est léger, résistant et conforme aux contraintes thermiques auxquelles est soumis le mandrin lors du processus de fabrication du carter. Les pointes de la plaque d'accrochage peuvent s'étendre selon une direction circonférentielle et selon une direction axiale et sont régulièrement espacées les unes des autres. Avantageusement, le mandrin comprend en outre des moyens de fixation de la plaque d'accrochage dans la paroi annulaire du mandrin, ces moyens étant accessibles par l'intérieur du mandrin. A cet effet, la plaque d'accrochage peut comprendre des brides de fixation qui sont destinées en situation à être vissées sur la paroi annulaire du mandrin par l'intérieur dudit mandrin. Ainsi, la plaque d'accrochage est rendue amovible par l'intérieur du mandrin ce qui permet de pouvoir la retirer alors que la texture fibreuse est toujours enroulée sur le mandrin. De plus, la plaque d'accrochage peut comprendre une poignée accessible depuis l'intérieur du mandrin lorsque la plaque est en situation afin de faciliter son retrait.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un carter en matériau composite pour une turbine à gaz, consistant à former un renfort fibreux par des couches superposées d'une texture fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel et à densifier le renfort fibreux par une matrice, caractérisé en ce que la texture fibreuse est enroulée en plusieurs couches superposées sur un mandrin tel que défini précédemment.
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 en perspective d'un mandrin selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe selon II-II du mandrin de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue correspondant à la figure 2 montrant le mandrin après enroulement de la texture fibreuse et avant son imprégnation.
Description détaillée d'un mode de réalisation L'invention sera décrite ci-après dans le cadre de son application à la fabrication d'un carter de soufflante de moteur aéronautique à turbine à gaz. Le carter de soufflante est réalisé ici en matériau composite à renfort fibreux densifié par une matrice, le renfort pouvant être en fibres par exemple de carbone, verre, aramide ou céramique et la matrice en polymère, par exemple époxyde, bismaléimide ou polyimide. Selon une particularité de la fabrication d'un carter de soufflante en matériau composite, le renfort fibreux est formé par enroulement sur un mandrin d'une texture fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel.
Comme représenté sur la figure 1, ce mandrin 10 comprend une paroi annulaire 12 dont le profil de la surface extérieure correspond à celui de la surface intérieure du carter de soufflante à fabriquer, et, à ses deux extrémités, des flasques latéraux 14 correspondant à des brides amont et aval du carter qui permettent son montage et sa liaison avec d'autres éléments. Comme détaillé dans le document EP 1,961,923 auquel on pourra se référer, la fabrication en matériau composite du carter de soufflante comprend notamment une étape de tissage tridimensionnel avec appel des fils de chaîne sur un tambour dont le profil est choisi en fonction de celui du carter à réaliser. On obtient alors une texture fibreuse qui enroulée en plusieurs couches ou spires sur le mandrin 10 de la figure 1. Par son enroulement sur le mandrin, la texture fibreuse épouse le profil de celui-ci et ses parties d'extrémité se relèvent sur les flasques latéraux 14 pour former des parties de préformes correspondant aux brides amont et aval du carter.
La préforme étant maintenue sur le mandrin 10, une imprégnation est ensuite réalisée par une résine. A cet effet, une enveloppe souple, ou vessie est appliquée sur la préforme. L'imprégnation peut être assistée par l'établissement d'une différence de pression entre le volume délimité par le mandrin et la vessie dans lequel se trouve la préforme et l'extérieur. Après imprégnation, une étape de polymérisation de la résine est alors réalisée. Selon l'invention, le mandrin 10 comprend un dispositif amovible d'accrochage 100 d'une couche 20 de texture fibreuse, ce dispositif permettant de maintenir mécaniquement la première couche de la texture fibreuse lors de l'enroulement de celle-ci sur le mandrin. Plus précisément, comme représenté sur la figure 2, ce dispositif 100 comporte une plaque amovible 102 pour l'accrochage d'une couche de texture fibreuse, cette plaque étant logée dans un évidement 16 de forme correspondante qui traverse de part en part la paroi annulaire 12 du mandrin 10. La surface extérieure 104 de la plaque d'accrochage 102 est profilée de façon à reconstituer le profil de la surface extérieure de la paroi annulaire lorsque la plaque est montée sur le mandrin. Elle présente en outre une pluralité de pointes 106 qui font saillie radialement vers l'extérieur et qui permettent d'accrocher mécaniquement la première couche de la texture fibreuse lors de l'enroulement de celle-ci sur le mandrin. La plaque d'accrochage 102 et le mandrin 10 sont de préférence réalisés dans le même matériau, par exemple en aluminium, tandis que les pointes 106 sont avantageusement réalisées en acier. Les pointes 106 sont par exemple collées sur la plaque d'accrochage 102. Elles forment chacune un angle compris entre 0° et 20° par rapport à la normale N à la surface extérieure de la paroi annulaire 12 du mandrin. Cet angle est de préférence identique pour toutes les pointes afin de faciliter le retrait de la plaque sans endommager la texture fibreuse. De plus, ces pointes 106 s'étendent depuis la surface extérieure 104 de la plaque d'accrochage sur une hauteur de l'ordre de 4 mm environ, hauteur qui est inférieure à l'épaisseur de la première couche de texture fibreuse. Les pointes sont par ailleurs polies au niveau de leur extrémité. Leur rugosité Ra est inférieure à 1,6 pm, et de préférence inférieure à 0,8 pm, de façon à endommager le moins possible la texture fibreuse de la première couche 20. Comme représenté sur la figure 1, les pointes 106 de la plaque d'accrochage 102 s'étendent de préférence selon une direction circonférentielle et selon une direction axiale et sont régulièrement espacées les unes des autres. Le nombre, le pas et la surface de la plaque d'accrochage recouverte de pointes par rapport à la surface extérieure de la paroi annulaire dépendent de nombreux paramètres tels que par exemple les dimensions et épaisseur des couches de texture fibreuse, la composition de celle-ci, etc. Des moyens de fixation de la plaque d'accrochage 102 dans l'évidement 16 de la paroi annulaire 12 du mandrin sont par ailleurs prévus. Par exemple, comme représenté sur la figure 2, la plaque d'accrochage 102 peut comprendre deux brides de fixation 108 opposées qui sont fixées dans la paroi annulaire du mandrin par l'intermédiaire de vis 110, des joints d'étanchéité 112 pouvant également être insérés entre les brides et la paroi annulaire du mandrin. La plaque d'accrochage 102 comprend également une poignée 114.
Les vis 110 de fixation de la plaque d'accrochage 102 dans la paroi annulaire du mandrin et la poignée 114 sont de préférence accessibles depuis l'intérieur du mandrin. Ainsi, la plaque d'accrochage 102 peut être retirée par l'intérieur du mandrin une fois les couches 20 de texture fibreuse correctement enroulées sur le mandrin.
Une fois la plaque d'accrochage 102 retirée, il est préférable de la remplacer par un obturateur étanche 200 tel que celui représenté sur la figure 3. Cet obturateur est en tout point identique à la plaque d'accrochage 102 excepté qu'il ne présente pas de pointes. Notamment, celui-ci présente une surface extérieure 204 reconstituant le profil de la surface extérieure de la paroi annulaire 12 du mandrin et peut être fixé dans celle-ci par l'intermédiaire de brides de fixation 208 et de vis 210 (des joints d'étanchéité 212 peuvent également être insérés). L'obturateur comprend également une poignée 214 accessible depuis l'intérieur du mandrin.
L'utilisation du mandrin selon l'invention pour la fabrication d'un carter de soufflante en matériau composite découle de manière évidente de ce qui précède. La plaque d'accrochage 102 est montée et fixée dans l'évidement 16 de la paroi annulaire 12 du mandrin. La texture fibreuse en couches est alors enroulée sur le mandrin avec l'extrémité de celle-ci qui est positionnée sur la plaque d'accrochage 102. Les pointes 106 de la plaque pénètrent entre les fibres de la première couche 20 de texture fibreuse enroulée sur le mandrin de façon à assurer son maintien mécanique. Grâce ce maintien de la première couche, il est possible d'exercer un effort de traction adéquat sur chaque couche de texture fibreuse lors de son enroulement sur le mandrin. Une fois l'ensemble de la texture fibreuse enroulée sur le mandrin, la plaque d'accrochage 102 est retirée du mandrin et remplacée par l'obturateur 200 qui est lui-même fixé dans l'évidement 16 de la paroi annulaire 12 du mandrin. La texture fibreuse ainsi enroulée sur le mandrin peut alors être soumise à une imprégnation par résine et à une polymérisation de la résine sans risque d'endommagement de la texture fibreuse.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Mandrin (10) pour la fabrication d'un carter en matériau composite pour une turbine à gaz, le carter étant obtenu par la formation d'un renfort fibreux par des couches superposées d'une texture fibreuse et la densification du renfort fibreux par une matrice, le mandrin comprenant une paroi annulaire (12) dont le profil de la surface extérieure correspond à celui de la surface intérieure du carter à fabriquer, et deux flasques latéraux (14), caractérisé en ce que la paroi annulaire du mandrin comprend des moyens amovibles (100) d'accrochage d'une couche (20) de texture fibreuse destinés à maintenir mécaniquement la première couche de la texture fibreuse lors de l'enroulement de celle-ci sur le mandrin.
  2. 2. Mandrin selon la revendication 1, comprenant une plaque amovible (102) d'accrochage d'une couche (20) de texture fibreuse destinée à être logée dans un évidement (16) de forme correspondante qui traverse la paroi annulaire (12) du mandrin, la surface extérieure (104) de la plaque reconstituant en situation le profil de la surface extérieure de la paroi annulaire et présentant une pluralité de pointes (106) faisant saillie radialement vers l'extérieur et qui sont destinées à maintenir mécaniquement la première couche de la texture fibreuse lors de l'enroulement de celle-ci sur le mandrin.
  3. 3. Mandrin selon la revendication 2, dans lequel les pointes (106) de la plaque d'accrochage (102) forment en situation un angle compris entre 0° et 20° par rapport à la normale (N) à la surface extérieure de la paroi annulaire du mandrin.
  4. 4. Mandrin selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel les pointes (106) de la plaque d'accrochage (102) s'étendent depuis la surface extérieure (104) de la plaque sur une hauteur de l'ordre de 4 mm environ.
  5. 5. Mandrin selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel la plaque d'accrochage (102) et le mandrin sont réalisés en aluminium et les pointes (106) sont réalisées en acier.
  6. 6. Mandrin selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel les pointes (106) de la plaque d'accrochage (102) s'étendent selon une direction circonférentielle et selon une direction axiale et sont régulièrement espacées les unes des autres.
  7. 7. Mandrin selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, comprenant en outre des moyens de fixation de la plaque d'accrochage (102) dans la paroi annulaire (12) du mandrin, ces moyens étant accessibles par l'intérieur du mandrin.
  8. 8. Mandrin selon la revendication 7, dans lequel la plaque d'accrochage (102) comprend des brides de fixation (108) qui sont destinées en situation à être vissées sur la paroi annulaire du mandrin par l'intérieur dudit mandrin.
  9. 9. Mandrin selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel la plaque d'accrochage (102) comprend une poignée (114) accessible depuis l'intérieur du mandrin lorsque la plaque est en situation.
  10. 10. Procédé de fabrication d'un carter en matériau composite pour une turbine à gaz, consistant à former un renfort fibreux par des couches superposées d'une texture fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel et à densifier le renfort fibreux par une matrice, caractérisé en ce que la texture fibreuse est enroulée en plusieurs couches superposées sur un mandrin (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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