FR2974593A1 - Moteur a turbine comportant une protection metallique d'une piece composite - Google Patents

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Abstract

Un moteur à turbine à gaz comportant au moins une première pièce composite (1) agencée pour être montée dans une deuxième pièce métallique (2) du moteur, la première pièce composite (1) comportant une surface d'interface (S2) destinée à être en contact surfacique avec la deuxième pièce métallique (2), le moteur comportant une protection métallique (3) montée de manière amovible sur la première pièce composite (1) et adaptée pour recouvrir ladite surface d'interface (S2).

Description

MOTEUR A TURBINE COMPORTANT UNE PROTECTION METALLIQUE D'UNE PIECE COMPOSITE L'invention concerne les moteurs à turbine à gaz, en particulier, pour une utilisation dans le domaine aéronautique.
Un moteur à turbine gaz, destiné à être monté sur un aéronef, comporte de manière classique une pluralité de pièces qui sont reliées les unes aux autres par des fixations de différentes natures telles que des brides. Dans certaines configurations, deux pièces du moteur peuvent être amenées à glisser l'une contre l'autre selon leurs surfaces de contact du fait des dilatations thermiques. A titre d'exemple, un distributeur basse pression d'un moteur à turbine à gaz comporte une pluralité d'aubes métalliques qui sont montées de manière fixe dans le carter métallique du moteur. A cet effet, chaque aube comporte une plateforme inférieure et une plateforme supérieure qui sont conformées pour se fixer respectivement à un élément de carter inférieur et à un élément de carter supérieur du moteur. Au cours du fonctionnement du moteur, les plateformes des aubes et les éléments de carter se dilatent ce qui entraîne un glissement entre la plateforme et son élément de carter dans lequel elle est fixée. Le contact surfacique de deux pièces est couramment désigné « fretting » par l'homme du métier. Plus le fretting est important, plus la résistance en fatigue des pièces est réduite.
Dans les moteurs de l'art antérieur, le fretting ne présente pas d'inconvénients étant donné que les pièces en contact sont toutes les deux métalliques et possèdent ainsi des facteurs de dilatations comparables.
Afin d'alléger la masse d'un moteur, il a été proposé de remplacer les aubes métalliques par des aubes en matériau composite comportant des fibres noyées dans une matrice. Lorsqu'une plateforme d'une aube en matériau composite est en contact surfacique avec un élément de carter métallique, la matrice de la plateforme se détériore et peut entraîner l'oxydation des fibres du matériau composite. La durée de vie et les performances des aubes en matériau composite peuvent alors être dégradées.
Afin d'éliminer au moins certains de ces inconvénients, l'invention se propose de protéger les surfaces de contact des plateformes en matériau composite en les recouvrant d'une protection métallique. L'invention tire son origine de la fixation d'une aube de distributeur en matériau composite dans un carter métallique mais elle s'applique à la fixation de toute pièce en matériau composite avec une pièce métallique et qui est sujette au « fretting ».
A cet effet, l'invention concerne un moteur à turbine à gaz comportant au moins une première pièce composite agencée pour être montée dans une deuxième pièce métallique du moteur, la première pièce composite comportant une surface d'interface destinée à être en contact surfacique avec la deuxième pièce métallique, le moteur comportant une protection métallique montée de manière amovible sur la première pièce composite et adaptée pour recouvrir ladite surface d'interface.
La protection métallique permet avantageusement de protéger la matrice de la pièce composite ce qui améliore la durée de vie de l'ensemble. La deuxième pièce métallique est uniquement en contact surfacique avec la protection métallique ce qui limite les endommagements par fretting.
De préférence, la protection métallique possède une forme complémentaire à la pièce composite de manière à former une peau métallique sur la pièce composite. De préférence, la première pièce composite comporte un moyen de blocage radial de la protection métallique. La protection métallique est ainsi solidaire de la pièce composite tout en étant libre de se dilater.
15 Selon un aspect préféré de l'invention, le moyen de blocage radial se présente sous la forme d'une gorge annulaire.
De préférence, la protection métallique comporte une lèvre annulaire adaptée pour coopérer avec la gorge annulaire. Ainsi, la protection métallique est bloquée radialement avec la pièce composite 20 par coopération de la gorge annulaire avec la lèvre annulaire.
Selon un aspect de l'invention, la protection métallique comporte une gorge annulaire dont la cavité est tournée vers la deuxième pièce métallique.
25 De préférence, la protection métallique étant formée par déformation d'une feuille plane métallique, la gorge annulaire est formée en regard de la lèvre annulaire sur la feuille métallique. De manière avantageuse, la protection métallique est issue d'une feuille plane métallique ce qui diminue le coût de fabrication de la protection. La déformation de la feuille métallique pour former la lèvre annulaire sur une face de la feuille entraîne la formation d'une gorge annulaire sur la face opposée de la 30 feuille métallique.
De manière préférée, la feuille métallique possède une épaisseur constante ce qui diminue le coût de fabrication de la protection.
35 De préférence encore, le moteur comporte un joint d'étanchéité dans la gorge annulaire de la protection métallique de manière à assurer une étanchéité entre la protection métallique et la pièce métallique. De manière préférée, le joint d'étanchéité est torique.
De manière préférée, la première pièce composite est une aube statorique et la deuxième pièce 40 métallique est un carter du moteur. L' aube statorique composite, recouverte d'une protection 10 3 métallique, est avantageusement fixée dans le carter métallique du moteur ce qui évite tout endommagement de l'aube par fretting.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et se référant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente une vue en coupe d'une aube d'un distributeur basse pression d'un moteur à turbine à gaz selon l'invention ; et la figure 2 représente une vue rapprochée de la zone de contact amont entre la plateforme inférieure de l'aube et un élément de carter inférieur du moteur à turbine à gaz de la figure 1.
En référence à la figure 1, un moteur à turbine à gaz pour aéronef s'étend axialement selon un axe X. Les termes « amont » et « aval » sont définis par la suite par rapport au sens des gaz dans le moteur, l'axe X étant orienté de l'amont vers l'aval sur la figure 1. Le distributeur basse pression du moteur comporte une pluralité d'aubes statoriques 1 qui sont montées dans le carter métallique du moteur 2.
Dans cet exemple, l'aube 1 est constituée en matériau composite formé à partir de fibres noyées dans une matrice. Dans cet exemple, le matériau composite comporte des fibres de verre noyées dans une matrice céramique (CMC). Comme représenté sur la figure 1, l'aube 1 comporte une plateforme de fixation supérieure 11 et une plateforme de fixation inférieure 12 qui sont formées en matériau composite. Chaque plateforme 11, 12 comporte une patte amont 13 et une patte aval 14 qui sont fixées au carter 2 du moteur. Le carter 2 comporte un élément de carter supérieur 21 et un élément de carter inférieur 22 pour recevoir respectivement la plateforme de fixation supérieure 11 et la plateforme de fixation inférieure 12. Afin de maintenir les pattes amont 13 et aval 14 de chaque plateforme 11, 12, chaque élément de carter 21, 22 comporte une bride amont 23 et une bride aval 24 agencées pour être respectivement en contact surfacique avec les pattes amont 13 et aval 14 comme représenté sur la figure 1.
De manière préférée, chaque plateforme 11, 12 est réalisée en texture de déliés. Une texture de déliés se caractérise par une séparation, dans son épaisseur, de la nappe des fibres formant la plateforme pour former deux nappes distinctes, dénommées pattes de déliés, qui s'écartent radialement l'une de l'autre, tout en restant reliées par la matrice céramique.
Pour éviter que les pattes 13, 14 en matériau céramique de l'aube 1 s'endommagent par contact surfacique avec les brides 23, 24 du carter 2, les pattes 13, 14 sont recouvertes d'une protection métallique 3 comme représenté sur les figures 1 et 2.
En référence à la figure 2 représentant la bride amont 23 de l'élément de carter inférieur 22 en contact avec la patte amont 13 de la plateforme inférieure 12, la bride amont métallique 23 comporte une surface annulaire radiale S1 destinée à entrer en contact avec une surface annulaire radiale S2 (ou surface d'interface S2) de la patte amont 13 en matériau composite. Afin de limiter les contraintes relatives aux dilatations différentielles et protéger la patte amont 13 en matériau composite, la surface de contact S2 de la patte amont 13 est recouverte par une protection métallique 3 connue de l'homme du métier sous sa dénomination « clinquant ». Cette protection métallique 3 est amovible de la patte amont 13 afin de permettre son remplacement en cas d'usure.
Le contact surfacique entre la protection métallique 3 et la bride métallique 2 ne présente pas d'inconvénients. Les deux matériaux métalliques ne sont pas susceptibles de se détériorer en frottant l'un contre l'autre par « fretting » étant donné que leurs coefficients de dilatation sont comparables. En outre, seules les zones de contact sont protégées ce qui ne pénalise pas la masse de l'aube 1.
La protection métallique 3 est montée de manière solidaire à la patte composite 13 afin de former une peau au niveau de sa surface de contact S2 avec la bride métallique 23. Autrement dit, la bride métallique 23 n'est plus en contact avec la patte composite 13 mais avec la protection métallique 3 ce qui supprime tout risque d'usure et de détérioration du matériau composite de la patte amont 13 par frottement avec la bride métallique 23.
Comme représenté sur les figures 1 et 2, la patte amont 13 de la plateforme inférieure 12 s'étend radialement vers l'axe du moteur. La protection métallique 3 enveloppe l'extrémité radiale de la patte amont 13 de manière à recouvrir sa surface amont S2, destinée à être en contact avec la bride amont métallique 23, et sa surface aval S3. Dans cet exemple, la protection métallique 3 est circonférentielle et possède une section axiale en U, la patte amont 13 venant se loger dans la cavité du U. Autrement dit, la protection métallique 3 comporte une branche amont 31, une base 32 et une branche aval 33, les branches 31, 33 étant élastiques pour permettre le montage de la protection 3. Dans cet exemple, en référence à la figure 2, la branche aval 33 est plus longue que la branche amont 31. De manière avantageuse, la forme de la protection métallique 3 est définie pour coopérer par complémentarité de formes avec la patte amont 13 afin de former une liaison solidaire qui compense les dilatations thermiques.
La patte amont 13 comporte en outre un moyen de blocage radial de la protection 3. Le moyen de blocage se présente, dans cet exemple, sous la forme d'une gorge annulaire circonférentielle 15 ménagée dans la surface de contact amont S2 de la patte amont 13 comme représenté sur la figure 2. La gorge annulaire 15 de la patte amont 13 est agencée pour recevoir une lèvre annulaire circonférentielle 34 qui est formée dans la branche amont 31 de la protection métallique 3 et qui s'étend axialement vers l'aval afin de pénétrer dans la cavité de la gorge annulaire 15. La protection 3 est ainsi fermement positionnée sur la surface amont S2 de la patte amont 13.40 Une fois la protection 3 placée sur la patte composite 13, la protection 3 ne peut pas se déplacer radialement par rapport à la patte composite 2 du fait de la coopération de la lèvre 34 dans la gorge 15, la rotation de la protection métallique 3 par rapport à la patte composite 13 étant néanmoins toujours possible. Une gorge annulaire 15 est très avantageuse comme moyen de blocage de la protection étant donné qu'elle autorise une dilatation thermique de la protection 3 par rapport à la patte amont 13. II va de soi que d'autres moyens de blocage pourraient également convenir.
De manière préférée, la protection métallique 3 est formée à partir d'une feuille métallique plane qui possède, de préférence, une épaisseur constante. La feuille est déformée pour former une protection tridimensionnelle. Une telle protection métallique 3 possède avantageusement un coût de fabrication faible.
Comme représenté sur la figure 2, la protection 3 comporte sur la face amont de sa branche amont 31 une gorge annulaire 35 dont la cavité est tournée vers la bride amont 23. La gorge annulaire 35 est, dans cet exemple, en regard de la lèvre 34. Lors de la déformation tridimensionnelle de la feuille d'épaisseur constante pour former la protection 3, la formation de la lèvre annulaire 34 sur une face de la feuille entraîne la formation d'une gorge 35 sur la face opposée.
Autrement dit, en référence à la figure 2, la surface amont de la protection 3 qui est en contact avec la bride amont 23 n'est pas plane mais comporte une gorge annulaire 35 dont la cavité s'étend axialement vers l'aval. De manière avantageuse, un joint d'étanchéité torique 4 est monté dans la gorge annulaire 35 de la patte composite 13. Comme représenté sur la figure 2, le joint 4 est monté entre la bride amont 23 et la protection 3 afin d'assurer une étanchéité entre la surface amont de la protection 3 et la surface aval S1 de la bride amont 23. Cela est particulièrement avantageux pour former un volume étanche entre l'élément de carter inférieur 22 et la plateforme inférieure 12 de l'aube 1, par exemple, lorsque l'aube 1 comporte un tube de ventilation 5 débouchant dans ledit volume (Figure 1).
II a été présenté précédemment un élément de carter 21, 22 annulaire qui peut être monobloc ou sectorisé radialement. Pour un élément de carter sectorisé 21, 22, les brides métalliques 23, 24 sont également sectorisées. Pour améliorer l'étanchéité du contact entre une bride sectorisée 23, 24 et une protection métallique 3, la protection 3 est, de préférence, sectorisée de manière à ce que les interfaces des secteurs de la protection 3 soient décalées par rapport aux interfaces des secteurs de la bride sectorisée 24. Autrement dit, une interface radiale d'un secteur de bride 23, 24 n'est pas alignée axialement avec une interface radiale d'un secteur de la protection 3 afin d'empêcher la circulation d'un flux d'air axial. Cela est particulièrement avantageux pour former un volume étanche entre l'élément de carter inférieur 22 et la plateforme inférieure 12 de l'aube 1, par exemple, lorsque l'aube 1 comporte un tube de ventilation 5 débouchant dans ledit volume (Figure 1).

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Moteur à turbine à gaz comportant au moins une première pièce composite (1) agencée pour être montée dans une deuxième pièce métallique (2) du moteur, la première pièce composite (1) comportant une surface d'interface (S2) destinée à être en contact surfacique avec la deuxième pièce métallique (2), moteur caractérisé par le fait qu'il comporte une protection métallique (3) montée de manière amovible sur la première pièce composite (1) et adaptée pour recouvrir ladite surface d'interface (S2). 10
  2. 2. Moteur selon la revendication 1, dans lequel la protection métallique possède une forme complémentaire à la pièce composite.
  3. 3. Moteur selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel la première pièce composite (1) comporte un moyen de blocage radial (15) de la protection métallique (3).
  4. 4. Moteur selon la revendication 3, dans lequel le moyen de blocage radial (15) se présente sous la forme d'une gorge annulaire (15).
  5. 5. Moteur selon la revendication 4, dans lequel la protection métallique (3) comporte une 20 lèvre annulaire (34) adaptée pour coopérer avec la gorge annulaire (15).
  6. 6. Moteur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la protection métallique (3) comporte une gorge annulaire (35) dont la cavité est tournée vers la deuxième pièce métallique (2).
  7. 7. Moteur selon les revendications 5 et 6, dans lequel, la protection métallique (3) étant formée par déformation d'une feuille plane métallique, la gorge annulaire (35) est formée en regard de la lèvre annulaire (34) surfa feuille métallique. 30
  8. 8. Moteur selon la revendication 7, dans lequel, la feuille métallique possède une épaisseur constante.
  9. 9. Moteur selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel, le moteur comporte un joint d'étanchéité (4) dans la gorge annulaire (35) de la protection métallique (3).
  10. 10. Moteur selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la première pièce composite (1) est une aube statorique (1) et la deuxième pièce métallique (2) est un carter (2) du moteur. 15 25 35 40
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