FR3012516A1 - Metallisation d'un carter d'un moteur aeronautique en materiau electriquement isolant - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un moteur aéronautique (1), comprenant : - un carter (10), réalisé dans un matériau électriquement isolant, - une première pièce métallique (2, 3), et - un équipement électrique (30), fixé sur le carter (10) et connecté à la première pièce métallique (2, 3) par l'intermédiaire d'un chemin de connexion (16, 18) électriquement conducteur.
Description
DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne de manière générale les moteurs à turbine à gaz, et plus particulièrement la métallisation d'un carter de rétention pour soufflante de turbine à gaz pour un moteur aéronautique.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Dans un moteur aéronautique à turbine à gaz, le carter de rétention de soufflante remplit plusieurs fonctions. Il est formé par une paroi métallique relativement mince définissant la veine d'entrée d'air dans le moteur, supporte un matériau abradable en regard des sommets d'aubes de la soufflante ainsi qu'un structure éventuelle d'absorption d'ondes sonores pour le traitement acoustique en entrée du moteur, et incorpore ou supporte un bouclier de rétention, au niveau de la soufflante. Il a été proposé dans les documents EP 1 674 671 et EP 1 961 923 de réaliser un carter de rétention de soufflante dans un matériau composite, comprenant par exemple un renfort fibreux densifié par une matrice. Le renfort fibreux peut être formé par un enroulement en couches superposées sur un mandrin d'une texture fibreuse obtenue par tissage tridimensionnel avec épaisseur évolutive, afin d'intégrer le bouclier de rétention par simple augmentation localisée d'épaisseur. Ces carters en matériaux composites présentent de nombreux avantages, dont notamment leur poids réduit en comparaison avec les carters métalliques équivalents. Néanmoins, la matrice de ces matériaux composites comprenant généralement un matériau polymère tel que de la résine, ils présentent une grande résistance électrique et ne permettent donc pas de conduire suffisamment l'électricité pour évacuer correctement l'énergie électrique. Or, les équipements électriques du carter peuvent être soumis à un environnement électromagnétique agressif (notamment à des champs de rayonnement à haute intensité (ou HIRF en langue anglo- saxonne, pour High-Intensity Radiated Fields), des impulsions de foudre, des interférences électromagnétique (EMI, pour Electro-Magnetic Interference en anglais), etc.) dans lequel ils doivent être capables de fonctionner de façon nominale. Il en résulte un risque important d'endommager les équipements électriques du moteur, dont certains calculateurs qui sont essentiels au bon 5 fonctionnement du moteur. De plus, lorsque l'énergie électrique ne peut être évacuée, elle engendre une augmentation importante de la température du carter par effet joule. Or, les matériaux composites utilisés pour réaliser les carters de rétention de soufflante sont limités à une température d'utilisation 10 généralement inférieure à une centaine de degrés. Passé cette température, le carter risque donc de fondre au moins localement ou de bruler (combustion) et de ne plus pouvoir supporter tout ou partie des équipements électriques qu'il soutient. 15 RESUME DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est donc de proposer un moteur aéronautique comprenant un carter, notamment un carter de rétention pour une soufflante d'une turbine à gaz, réalisé dans un matériau électriquement isolant tel qu'un matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié 20 par une matrice polymère, qui soit capable de répartir correctement les charges et intensités dans le moteur quel que soit l'environnement électromagnétique, et qui soit en outre simple à réaliser pour un coût modéré. 25 Pour cela, l'invention propose un moteur aéronautique, comprenant : - un carter, réalisé dans un matériau électriquement isolant, - une première pièce métallique, et - un équipement électrique, fixé sur le carter et connecté à la première pièce métallique par l'intermédiaire d'un chemin de connexion 30 électriquement conducteur. Certaines caractéristiques optionnelles mais non limitatives du moteur aéronautique sont les suivantes : - le carter comprend au moins une première bride de connexion, adaptée pour fixer le carter sur la première pièce métallique, et dans lequel le chemin de connexion est connecté à la première pièce métallique par l'intermédiaire de ladite première bride de connexion, - le moteur comprend en outre une deuxième pièce métallique, et : * le chemin de connexion est en outre adapté pour connecter le carter à la deuxième pièce métallique, et * le carter comprend au moins une deuxième bride de connexion, adaptée pour fixer le carter sur la deuxième pièce métallique, le chemin de connexion étant connecté à la deuxième pièce métallique par l'intermédiaire de ladite deuxième bride de connexion, - le chemin de connexion comprend au moins l'un des éléments suivants : un contact métal-métal, une tresse de masse, - le contact métal-métal comprend un support métallique fixé d'une part sur l'équipement électrique et d'autre part à la première bride de connexion, - le matériau électriquement isolant du carter comprend un matériau composite, ledit matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère, - au niveau du contact entre le support métallique de l'équipement électrique et le carter, les fibres du matériau composite du carter sont au moins partiellement à nu afin d'améliorer le contact métal-métal entre le support métallique et la première bride de connexion et améliorer le contact entre le chemin de connexion (16, 18) et la première bride de connexion (12,14). - la première pièce métallique et la deuxième pièce métallique comprennent un carter métallique intermédiaire et une manche d'entrée d'air, et - l'équipement électrique comprend l'un au moins des éléments du groupe suivant : un calculateur, un capteur. L'invention propose également un carter d'un moteur aéronautique, notamment un carter de rétention d'une soufflante, réalisé dans un matériau électriquement isolant, mis en oeuvre dans un moteur aéronautique comme décrit ci-dessus. De manière optionnelle, le matériau électriquement isolant peut comprendre un matériau composite, ledit matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : Les figures 1 a, 2a et 3a sont des vues en détail d'exemples de réalisation de moteurs conformes à l'invention, comprenant chacun un carter en matériau isolant sur lequel un équipement électrique est fixé et connecté à une ou plusieurs pièces structurelles métalliques du moteur, Les figures 1 b, 2b et 3b sont des schémas du chemin de connexion électriquement conducteur entre les équipements électriques des figures 1 a, 2a et 3a respectivement et les pièces structurelles métalliques du moteur, et La figure 4 est un exemple de fixation d'un support d'un équipement électrique à une bride de connexion. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Un moteur 1 à turbine à gaz comprend généralement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d'échappement des gaz.
Les turbines peuvent être couplées au compresseur et à la soufflante par des arbres coaxiaux respectifs.
Le moteur 1 est logé à l'intérieur d'un carter comprenant plusieurs parties correspondant à différents éléments du moteur 1. Ainsi, la soufflante est entourée par exemple par un carter de rétention de soufflante 10 (ou carter de soufflante). Le carter de soufflante 10 peut être réalisé en une seule pièce et comprend, au niveau de ses extrémités axiales, des brides 12, 14. Une première bride 12, dite amont, permet la fixation d'une manche d'entrée d'air 3 au carter, tandis que la deuxième bride 14, dite aval, permet le raccordement du carter de soufflante 10 avec un carter intermédiaire 2 au moyen d'organes de liaison du type vis 4-écrous 5, avec interposition d'une virole annulaire appliquée contre chacune des brides amont et aval. Le carter intermédiaire 2 et la manche d'entrée d'air 3 sont en métal, par exemple en titane, dans un alliage métallique à base de titane ou encore en aluminium.
Dans ce qui suit, l'invention va être décrite plus particulièrement dans le cadre des carters de soufflante 10 d'un moteur à turbine à gaz, réalisé dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice électriquement isolante. Ceci n'est cependant pas limitatif, dans la mesure où l'invention s'applique mutatis mutandis à tout moteur comprenant un carter réalisé dans un matériau électriquement isolant et pouvant être utilisé dans des environnements électromagnétiques sévères. Le renfort fibreux du carter de soufflante 10 comprend des fibres, notamment en carbone, verre, aramide ou céramique. La matrice quant à elle est typiquement une matrice polymère, par exemple époxyde, bismaléim ide ou polyim ide. Le renfort peut être formé par enroulement sur un mandrin d'une texture fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel avec épaisseur évolutive conformément à la description de la demande FR 2 913 053, le renfort fibreux constituant alors une préforme fibreuse complète du carter de soufflante 10 formée en une seule pièce avec des parties de renfort correspondant aux brides 12, 14.
Des équipements électriques 30 peuvent être fixé au carter de soufflante 10, notamment des calculateurs ou des capteurs, tels qu'un calculateur principal du moteur EEC (Engine Electronic Control, pour Contrôle Electronique des Moteurs), nécessaire pour l'activation et la commande du moteur 1, un calculateur de l'inverseur de poussée TRCU (pour Trust Reverser Control Unit), un calculateur adapté pour transformer des signaux physiques (pressions, températures, débris, etc.) en signaux électriques, etc. Afin de permettre une meilleure répartition des charges et intensités dans le moteur 1, notamment en cas d'environnement électromagnétique agressif, les équipements électriques 30 sont connectés à une pièce structurelle métallique du moteur 1, de préférence une pièce adjacente au carter de soufflante 10, par l'intermédiaire d'un chemin de connexion électriquement conducteurs.
Par exemple, les équipements électriques 30 peuvent être connectés à la bride amont 12 et/ou à la bride aval 14 du carter de soufflante 10, qui sont fixées respectivement à la manche d'entrée d'air 3 et au carter intermédiaire 2 du moteur 1, par l'intermédiaire d'un ou plusieurs chemins de connexion métalliques.
Avantageusement, la mise en oeuvre d'au moins deux chemins de connexion (vers la bride amont 12 d'une part, et vers la bride aval 14 d'autre part), permet de démultiplier la circulation de l'énergie électrique, et donc de réduire l'intensité des charges et intensités circulant au sein d'un chemin de connexion unique.
De la sorte, il devient possible de maîtriser la propagation du courant électrique en multipliant les chemins et en utilisant la conduction à travers les boîtiers des équipements électriques 30 (qui sont généralement métalliques) afin de transférer les électrons vers les pièces structurales métalliques du moteur 1. Cela permet ainsi de pallier à l'isolation du carter de soufflante 10 dans un matériau électriquement isolant et à la non- dégradation des équipements électriques 30, même dans un environnement électromagnétique sévère.
Les équipements électriques 30 peuvent chacun être fixés sur un ou plusieurs supports métalliques 32. Par exemple, l'équipement électrique 30 peut être fixé sur quatre supports métalliques 32 pouvant former quatre points d'appui, disposés au niveau de quatre coins opposés de l'équipement électrique 30. En variante, l'équipement électrique 30 peut être fixé sur deux supports métalliques 32 globalement allongés, s'étendant chacun de part et d'autre de l'équipement 30. Afin de permettre le passage du courant, l'équipement électrique 30 et tout ou partie des supports métalliques 32 sont de préférence connectés électriquement. Cette connexion électrique peut notamment être établie à l'aide de tresses de masse 16, fixées entre le calculateur et les supports métalliques 32. Par tresse de masse 16, on comprendra ici un ensemble de fils électriques ou, de manière alternative, une partie métallique très fine, adaptés pour connecter deux pièces entre elles afin de permettre l'évacuation d'électrons. En variante, la connexion électrique peut également être réalisée à l'aide d'un réseau de retour de courant. Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures 1 a et 1 b, zo l'équipement électrique 30 comprend quatre supports métalliques 32a-32b- 32c-32d, disposés au niveau de quatre coins opposés de l'équipement 30. De manière non limitative, l'équipement électrique 30 peut être un calculateur du type EEC. L'un des supports, ici le support inférieur aval 32a, est connecté d'une part à l'équipement électrique 30 et d'autre part à la 25 bride aval 14 par l'intermédiaire de tresses de masse 16. Un autre des supports métalliques 32, ici le support inférieur amont 32b, est connecté à l'équipement électrique 30 par l'intermédiaire d'une tresse de masse 16, et à la bride amont 12 par un contact métal-métal 18, c'est-à-dire un assemblage mécanique avec un contact direct entre le support métallique 30 32 et la bride amont 12. La bride amont 12 et la bride aval 14 sont ensuite connectées respectivement à la manche d'entrée d'air 3 et au carter intermédiaire 2.
En variante, l'équipement électrique 30 pourrait en outre être connecté au support supérieur 32d et/ou 32c afin de démultiplier les chemins de connexion. Selon une autre variante encore, les supports 32a et 32d pourraient être connectés à la bride aval 14 par un contact métal-métal 18, tandis que la connexion est réalisée à l'aide de tresses de masse 16 entre le support 32b et/ou 32c et la bride amont 12. Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures 2a et 2b, l'équipement électrique 30 comprend deux supports électriques allongés 32e-32f, s'étendant de part et d'autre de l'équipement 30 de manière à former quatre contacts électriques. De manière non limitative, l'équipement électrique 30 peut être un calculateur du type TCRU. Ici, l'équipement électrique 30 n'est connecté électriquement qu'à l'un des deux supports métalliques 32, le support inférieur 32e, et c'est ce même support métallique 32e qui est connecté à la fois à la bride aval 14, par l'intermédiaire d'une tresse de masse 16, et à la bride amont 12, par un contact métal. De plus, l'équipement électrique 30 est connecté à ce support métallique 32e par une tresse de masse 16 au niveau de la bride aval 14 (comme illustré sur la figure 2a), ou de la bride amont 12. En variante, l'équipement électrique 30 pourrait être connecté uniquement au support supérieur 32f, ou encore aux deux supports métalliques 32e, 32f afin de démultiplier les chemins de connexion. La bride amont 12 et la bride aval 14 sont ensuite connectées respectivement à la manche d'entrée d'air 3 et au carter intermédiaire 2.
En variante, les supports 32e-32f pourraient être connectés à la bride aval 14 par un contact métal-métal 18 et à la bride amont 12 par une tresse de masse 16. Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures 3a et 3b, l'équipement électrique 30 comprend deux supports électriques 32g, 32h du type plot, fixés au niveau de deux côtés opposés de l'équipement 30 de manière à former deux contacts électriques. De manière non limitative, l'équipement électrique 30 peut être un calculateur du type PSS. Le support aval 32g est connecté d'une part à l'équipement électrique 30 et d'autre part à la bride aval 14 par l'intermédiaire de tresses de masse 16. Le support amont 32h est connecté à l'équipement électrique 30 par l'intermédiaire 5 d'une tresse de masse 16, et à la bride amont 12 par un contact métal-métal 18. La bride amont 12 et la bride aval 14 sont ensuite connectées respectivement à la manche d'entrée d'air 3 et au carter intermédiaire 2. En variante, le support 32g pourrait être connecté par un contact métal-métal 18 à la bride aval 14 tandis que le support 32h est connecté à 10 la bride 12 par une tresse de masse 16. On comprendra bien entendu que le choix du support métallique 32 utilisé pour l'évacuation de l'énergie électrique de l'équipement électrique 30 vers l'une ou l'autre des brides amont 12 ou aval 14 n'est pas limitatif.
15 Par ailleurs, les supports de fixation 32 sont de préférence fixés dans une zone adjacente à la bride 12, 14 à laquelle ils sont susceptibles d'être connectés, afin de limiter la distance à parcourir entre l'équipement électrique et la pièce structurale métallique du moteur 1 correspondante, à savoir le carter intermédiaire 2 ou la manchette d'entrée d'air 3.
20 Afin d'améliorer le contact métal-métal 18 entre les supports métalliques 32 et les brides amont et aval, les fibres du matériau composite peuvent être au moins partiellement mises à nue au niveau de la fixation du support métallique 32 sur la bride 12, 14 concernée. De la sorte, le support 25 métallique 32 peut par exemple être fixé, par l'intermédiaire d'un système de vis 4-écrou 5 ou tout moyen de fixation adapté, directement sur la bride 12, 14, ce qui permet d'améliorer le passage de l'énergie électrique vers ladite bride 12, 14. La mise à nu des fibres peut notamment être réalisée par grattage local en surface de la matrice du matériau composite, par 30 usinage, etc. Par ailleurs, une virole annulaire métallique 6 peut être disposée entre le support et la bride 12 et/ou 14, dans la zone du carter de soufflante 10 dont les fibres ont été mises à nues, afin d'améliorer encore le contact métallique.5
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Moteur aéronautique (1), comprenant : - un carter (10), réalisé dans un matériau électriquement isolant, - une première pièce métallique (2, 3), et - un équipement électrique (30), fixé sur le carter (10) et connecté à la première pièce métallique (2, 3) par l'intermédiaire d'un chemin de connexion (16, 18) électriquement conducteur.
- 2. Moteur aéronautique (1) selon la revendication 1, dans lequel le carter (10) comprend au moins une première bride de connexion (12, 14), adaptée pour fixer le carter (10) sur la première pièce métallique (2,
- 3), et dans lequel le chemin de connexion (16, 18) est connecté à la première pièce métallique (2, 3) par l'intermédiaire de ladite première bride de connexion (12, 14). 3. Moteur aéronautique (1) selon la revendication 2, comprenant en outre une deuxième pièce métallique (3, 2), et dans lequel : - le chemin de connexion (16, 18) est en outre adapté pour connecter le carter (10) à la deuxième pièce métallique (3, 2), et - le carter comprend au moins une deuxième bride de connexion (14, 12), adaptée pour fixer le carter (10) sur la deuxième pièce métallique (3, 2), le chemin de connexion (16, 18) étant connecté à la deuxième pièce métallique (2, 3) par l'intermédiaire de ladite deuxième bride de connexion (12, 14).
- 4. Moteur aéronautique (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le chemin de connexion (16, 18) comprend au moins l'un des éléments suivants : un contact métal-métal (18), une tresse de masse (16).
- 5. Moteur aéronautique (1) selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel le contact métal-métal (18) comprend un support métallique (32) fixé d'une part sur l'équipement électrique (30) et d'autre part à la première bride de connexion (12, 14).
- 6. Moteur aéronautique (1) selon la revendication 5, dans lequel : - le matériau électriquement isolant du carter (10) comprend un matériau composite, ledit matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère, - au niveau du contact entre le support métallique (32) de l'équipement électrique (30) et le carter (10), les fibres du matériau composite du carter (10) sont au moins partiellement à nu afin d'améliorer le contact métal-métal (18) entre le support métallique (32) et la première bride de connexion (12, 14) et améliorer le contact entre le chemin de connexion (16, 18) et la première bride de connexion (12,14).
- 7. Moteur aéronautique (1) selon la revendication 6, dans lequel la première pièce métallique (2, 3) et la deuxième pièce métallique (2, 3) comprennent un carter métallique intermédiaire (2) et une manche d'entrée d'air (3).
- 8. Moteur aéronautique (1) selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'équipement électrique (30) comprend l'un au moins des éléments du groupe suivant : un calculateur, un capteur.
- 9. Carter (10) de rétention de soufflante réalisé dans un matériau électriquement isolant, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre dans un moteur aéronautique (1) selon l'une des revendications 1 à 8.
- 10. Carter (10) selon la revendication 9, dans lequel le matériau électriquement isolant comprend un matériau composite, ledit matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice polymère.
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