FR3044961A1 - Panneau pour nacelle de turboreacteur comportant une protection thermique et procede de fabrication d’un tel panneau - Google Patents
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Abstract
L'invention se rapporte à un panneau pour nacelle de turboréacteur d'aéronef, le panneau comportant une protection thermique et une protection anti-feu, le panneau comportant : - une structure sandwich (12) à base d'alliage d'aluminium, la structure sandwich (12) comportant une peau avant (14), une peau arrière (16) et une âme centrale (18) ; - une couche de protection (20) solidaire de la peau arrière (16), la couche de protection (20) comportant un matériau composite à matrice céramique.
Description
La présente invention se rapporte à un panneau constitutif d’une structure de nacelle de turboréacteur d’aéronef, et plus particulièrement à un panneau destiné à être inclus dans une structure fixe interne d’une nacelle de turboréacteur. La présente invention se rapporte en outre à un procédé de fabrication d’un tel panneau.
Parmi les aéronefs, on connaît notamment des avions qui sont mus par un ou plusieurs turboréacteurs logés chacun dans une nacelle. Une nacelle présente généralement une structure sensiblement tubulaire comprenant une entrée d’air en amont du turboréacteur, un ensemble intermédiaire destiné à entourer une soufflante du turboréacteur et un ensemble arrière pouvant intégrer des moyens d’inversion de poussée et destiné à entourer la chambre de combustion et tout ou partie des étages de compresseur et de turbine du turboréacteur, et est généralement terminée par une tuyère d’éjection dont la sortie est située en aval du turboréacteur.
Les nacelles modernes sont souvent prévues pour abriter un turboréacteur double flux apte à générer, d’une part, un flux de gaz chauds (également appelé flux primaire) issu de la chambre de combustion du turboréacteur et circulant dans un espace délimité par un compartiment de forme sensiblement tubulaire appelé compartiment moteur, et d’autre part, un flux d’air froid (dit flux secondaire) issu de la soufflante et circulant à l’extérieur du turboréacteur à travers un passage annulaire, également appelé veine, formé entre une structure interne définissant un carénage du turboréacteur et une paroi interne de la nacelle. Les deux flux sont éjectés du turboréacteur par l’arrière de la nacelle.
Le compartiment moteur comprend une enveloppe externe servant de carter et appelée structure fixe interne (également dénommée IFS pour « Inner fixed Structure »).
Cette structure fixe est soumise à de fortes contraintes thermiques et elle est généralement protégée à l’aide de panneaux de protection thermique, permettant notamment d’isoler les composants de la nacelle de l’environnement moteur afin de les maintenir à des températures acceptables. Ces protections thermiques assurent également une protection anti-feu et peuvent être utilisées dans d’autres zones de la nacelle au niveau desquelles existe un risque d’incendie, comme par exemple dans le compartiment autour de la soufflante, au niveau de l’attache du panneau interne de l’entrée d’air.
Afin de protéger thermiquement NFS, il est connu d’avoir recours à des panneaux de protection, disposés notamment du côté compartiment moteur, et comprenant au moins un matelas isolant, généralement fabriqué à partir de fibres de silice, de céramique ou d’un matériau microporeux, ledit matelas étant pris entre des feuillards généralement en inox. Les matelas de protection thermique sont fixés à NFS à l’aide de systèmes de fixation qui coopèrent ponctuellement avec NFS sur toute la surface de protection, à la manière de rivets. Il est également connu de réaliser des structures comportant un ou plusieurs panneaux en titane, ces panneaux étant réalisés par soudure ou par brasage. Lorsqu’on utilise des panneaux en titane, il n’est pas nécessaire d’adjoindre une protection thermique telle que le matelas décrit ci-dessus.
Les structures connues présentent plusieurs inconvénients, parmi lesquels leur coût. Dans le cas de structure à base de panneaux de titane, le coût est notamment lié au coût de ce matériau et de son élaboration, qui reste très onéreux. Lorsqu’un matelas de protection thermique est nécessaire, il doit avoir une épaisseur suffisante pour assurer l’isolation thermique voulue. Cette épaisseur est en général pénalisante car elle occasionne une perte de place. De plus, les matelas de protection thermique sont fréquemment endommagés, en particulier par les fuites d’air chaud issues du moteur, et doivent ainsi être remplacés. L’invention a pour but de remédier aux inconvénients de l’état de la technique, en proposant un panneau apte à former un élément constitutif d’une structure de nacelle ou d’ensemble propulsif d’un aéronef, ainsi qu’un procédé de fabrication d’un tel panneau.
Ainsi l’invention concerne un panneau pour nacelle de turboréacteur d’aéronef, le panneau comportant une protection thermique et une protection anti-feu, le panneau comportant : - une structure sandwich à base d’alliage d’aluminium, la structure sandwich comportant une peau avant, une peau arrière et une âme centrale ; - une couche de protection solidaire de la peau arrière, la couche de protection comportant un matériau composite à matrice céramique.
Ainsi, l’invention permet de réaliser une structure à la fois légère (notamment grâce à l’utilisation d’alliage d’aluminium), résistante, et présentant les qualités requises d’isolation thermique et de résistance au feu, grâce à la couche de protection en matériau composite à matrice céramique. On notera que les caractéristiques minimales d’isolation thermique et de résistance au feu que doit présenter la couche de protection sont moins importantes que pour les structures en matériaux composites connues. En effet, l’utilisation d’une structure sandwich en alliage d’aluminium permet d’assurer un meilleur refroidissement du panneau grâce à la conductivité thermique importante de l’aluminium. Cette conductivité thermique importante permet de favoriser les transferts de chaleur de la peau arrière vers la peau avant de la structure sandwich du panneau, la peau avant étant généralement en contact avec le flux d’air froid circulant dans la veine secondaire. En outre, si la structure sandwich conforme à l’invention est assemblée par brasage, alors le refroidissement sera également meilleur que pour les panneaux connus comportant une structure en aluminium collé. En effet, dans ce type de structure, la colle présente une forte résistance thermique de conduction, ce qui nuit au refroidissement du panneau. Par ailleurs, la structure conforme à l’invention présente une épaisseur moindre que les structures mettant en œuvre un matelas de protection thermique, et est moins coûteuse à fabriquer que les structures à base de titane.
Dans une réalisation, la couche de protection comporte un matériau composite à matrice céramique de type oxyde-oxyde, comportant par exemple des fibres d’alumine ou d’aluminosilicate.
Dans une réalisation, l’âme centrale présente une structure alvéolaire, par exemple en nid d’abeilles.
Dans une réalisation, la peau avant comporte une pluralité de perforations dites perforations acoustiques.
Dans une réalisation, l’âme centrale, la peau avant et la peau arrière sont assemblées par brasage.
Dans une réalisation, l’âme centrale, la peau avant et la peau arrière sont protégées de la corrosion par plaquage d’aluminium sur au moins une face.
La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’un panneau pour nacelle de turboréacteur d’aéronef, le procédé comportant les étapes de : - réaliser une structure sandwich en alliage d’aluminium, la structure sandwich comportant une peau avant, une peau arrière et une âme centrale ; - convertir en alumine une partie de l’épaisseur de la peau arrière par oxydation ; - déposer sur la peau arrière une couche fibreuse comportant des fibres d’un matériau céramique ; et - procéder au frittage de la couche fibreuse, à une température permettant la consolidation du matériau céramique.
Dans une réalisation, la couche fibreuse est, préalablement à l’étape de frittage, imprégnée d’une composition liquide comportant un précurseur de matrice céramique, le précurseur étant sous forme de particules de céramique en suspension dans un liquide.
Dans une réalisation, le procédé comporte une étape de chauffage mise en œuvre après l’étape d’imprégnation, et avant l’étape de frittage.
Dans une réalisation, le procédé comporte l’étape d’assurer, durant l’étape de frittage, le refroidissement de la structure sandwich.
Dans une réalisation, la structure sandwich est assemblée par brasage.
La présente invention se rapporte également à une nacelle d’un turboréacteur d’un aéronef, comportant un panneau tel que défini ci-dessus et/ou obtenu par le procédé tel que défini ci-dessus.
Enfin, l’invention se rapporte à un aéronef comportant un turboréacteur logé dans une nacelle telle que définie ci-dessus.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, faite en référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d’un ensemble propulsif d’aéronef ; - les figures 2 à 7 représentent des étapes d’un procédé conforme à l’invention ; - la figure 8 est une vue en coupe d’un panneau obtenu par un procédé conforme à l’invention ; - la figure 9 montre le panneau de la figure 8 en cas de feu.
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d’un ensemble propulsif 1 d’aéronef, comportant un turboréacteur 2 logé dans une nacelle 3. La nacelle 3 comporte notamment une structure fixe externe 4 (ou OFS pour « Outer Fixed Structure ») et une structure fixe interne 5 (ou IFS pour « Inner Fixed Structure »). Ces deux structures sont concentriques et définissent une veine 6 dans laquelle circule de l’air froid lorsque le turboréacteur 2 est en fonctionnement. La structure fixe interne 5 constitue l’enveloppe externe du compartiment moteur 7 du turboréacteur 2. La structure fixe interne peut comporter un ou plusieurs panneaux conformes à l’invention.
La figure 8 représente un panneau 10 conforme à l’invention. Le panneau 10 comporte une structure sandwich 12 en alliage à base d’aluminium. La structure sandwich 12 comporte une peau avant 14 et une peau arrière 16, pleine, encadrant une âme centrale 18. L’âme centrale 18 présente une structure alvéolaire, par exemple en nid d’abeilles. Les peaux avant 14 et arrière 16 et l’âme centrale 18 sont solidarisées ensemble par tout procédé adapté. Le procédé d’assemblage de ces éléments devra être compatible avec l’objectif d’assurer une bonne conduction thermique à travers la structure sandwich du panneau. Un exemple de procédé adapté est le brasage, un autre étant la soudure par diffusion. A l’inverse, les techniques classiques de collage ne sont généralement pas adaptées car la colle crée une résistance thermique importante entre les éléments assemblés. Dans certains cas, notamment lorsque le panneau 10 fait partie d’une structure fixe interne d’une nacelle, la peau avant 14 est en contact avec le flux d’air froid circulant à travers la nacelle (et notamment dans la veine de flux secondaire). La peau avant 14 présente alors avantageusement une pluralité de perforations 140 dites perforations acoustiques. La peau arrière 16 est en revanche une peau pleine, dépourvue de perforations. De manière préférentielle, tout ou partie des éléments formant la structure 12 sera réalisée à partir d’un alliage d’aluminium soudable, comme par exemple l’alliage d’aluminium 6061.
Avantageusement, afin de protéger l’ensemble de la corrosion, les peaux avant 14 et arrière 16 et les parois de l’âme centrale 18 pourront être plaquées d’aluminium pur, notamment par un procédé de co-laminage d’une feuille d’alliage d’aluminium et d’au moins une feuille d’aluminium pur.
Le panneau 10 comporte également une couche de protection 20, assurant une protection thermique et une protection anti-feu de la structure sandwich 12. Conformément à l’invention, la couche de protection 20 comporte un matériau composite à matrice céramique (ou CMC). La couche de protection 20 recouvre intégralement la peau arrière 16, et permet d’isoler thermiquement la structure sandwich 12, et également de protéger cette structure sandwich 12 du feu. En cas de feu, la couche de protection 20 doit notamment pouvoir résister aux flammes et les empêcher de traverser le panneau, même en cas d’endommagement important de la peau arrière 16 dû aux effets thermiques du feu. A cet effet, la couche de protection 20 est réalisée dans un matériau adapté et présente une épaisseur suffisante pour assurer ces deux fonctions (isolation thermique et résistance au feu), au vu des contraintes thermiques rencontrées dans une nacelle de turboréacteur, notamment par NFS.
Conformément à l’invention, la couche de protection 20 comporte un matériau composite à matrice céramique, dont la matrice est résistante au feu. En particulier, le matériau de la matrice devra pouvoir résister à une température d’environ 800 °C. On décrit ci-après, en relation avec les figures 2 à 7, un procédé conforme à l’invention, permettant d’obtenir le panneau 10 de la figure 8. Conformément à l’invention, le procédé consiste à réaliser en premier la structure sandwich 12, puis à former sur cette structure la couche de protection 20.
La réalisation de la structure sandwich 12 est montrée sur les figures 2 et 3. La figure 2 montre la formation de la peau avant 14, à partir d’une tôle d’aluminium ou d’alliage d’aluminium. Dans l’exemple de la figure 2, l’étape de formation de la peau 14 inclut l’étape de réalisation des perforations 140. Alternativement, l’étape de réalisation des perforations 140 peut être mise en œuvre après assemblage de la peau 14, de l’âme centrale 18 et de la peau arrière 16. Les perforations 140 seront réalisées par tout procédé adapté (perçage, perforation par laser ou par jet d’eau, poinçonnage, etc.).
La figure 3 montre la structure sandwich 12 assemblée. Comme la peau avant 14, la peau arrière 16 et l’âme centrale 18 (alvéolaire) sont réalisées à partir d’aluminium ou d’alliage d’aluminium. Comme évoqué plus haut, l’assemblage de ces éléments est réalisé par tout procédé permettant de favoriser la conduction thermique entre les éléments assemblés, tel que le brasage.
Les figures 4 à 7 montrent les étapes de formation de la couche de protection 20.
La figure 4 montre une première étape consistant à oxyder partiellement la peau arrière 16, afin de transformer l’aluminium en alumine. Cette oxydation partielle a pour but de permettre une bonne accroche de la couche de protection 20. L’oxydation est réalisée partiellement, ce qui signifie que l’on oxyde seulement une partie de l’épaisseur de la peau arrière 16. Comme visible sur la figure 4a, qui représente un détail de la figure 4, à l’issue de l’étape d’oxydation partielle, la peau arrière 16 comporte une couche non oxydée 160, et une couche oxydée 162, ou couche d’alumine. Pour une peau arrière 16 d’épaisseur totale d’environ 0,8 à 1 millimètre, la couche oxydée 162 sera par exemple d’une épaisseur comprise entre 0,2 et 0,3 millimètre. L’oxydation sera réalisée par exemple par anodisation ou par conversion chimique, par trempage dans une solution 22 comme dans l’exemple de la figure 4.
Comme visible sur la figure 5, on procède ensuite au dépôt sur la peau arrière 16 d’une couche fibreuse 24, comportant des fibres d’un matériau céramique. La couche fibreuse 24 se trouve donc en contact direct avec la couche oxydée 162 de la peau arrière 16. La couche de fibres 24 comporte par exemple des fibres d’alumine ou d’aluminosilicate. Lors de l’opération de dépôt, les fibres de la couche fibreuse 24 peuvent être « sèches » ou « préimprégnées ». Lorsque les fibres sont pré-imprégnées, les fibres sont préalablement imprégnées d’une composition liquide contenant un précurseur de la matrice céramique. Le précurseur de la matrice peut être par exemple sous la forme de particules d’alumine ou de mullite en suspension dans un fluide. Si les fibres de la couche fibreuse 24 sont sèches, alors il est nécessaire de prévoir une étape d’imprégnation, consistant à imprégner les fibres d’une composition liquide telle que définie ci-dessus. Cette étape d’imprégnation peut être réalisée par exemple par infusion sous vide, par injection de la composition liquide (après positionnement dans un moule adapté) ou par pulvérisation.
Comme montré sur la figure 6, on procède ensuite à une étape de chauffage, par tout moyen adapté, dans l’exemple un système 26 soufflant de l’air chaud. Cette étape de chauffage permet l’évaporation de la composition liquide imprégnant les fibres (à l’exception bien entendu des particules du précurseur de la matrice céramique).
On procède ensuite à une étape de consolidation de la couche fibreuse 24, consistant en une étape de frittage. L’étape de frittage de la couche fibreuse 24 est effectuée à une température adaptée, comprise par exemple entre 900° et 1200°C. Dans l’exemple, la température voulue est obtenue au moyen d’un dispositif tel qu’une torche à plasma 28.
Lors de l’étape de frittage, il est nécessaire d’assurer un refroidissement de la structure sandwich 12, car le point de fusion de l’aluminium est inférieur à la température de frittage. On pourra à cet effet faire circuler un fluide de refroidissement (comme par exemple de l’air ou de l’eau) à travers la structure sandwich 12. On pourra également, comme représenté sur la figure 7, tremper la structure sandwich 12 dans un bain 30 contenant un fluide de refroidissement durant l’étape de frittage. Le refroidissement permettra d’éviter d’endommager les éléments constituants la structure
sandwich 12, ainsi que la jonction brasée entre ces différents éléments. A l’issue de l’étape de frittage, on obtient donc un panneau conforme à l’invention, tel que représenté à la figure 8. Comme évoqué plus haut, la couche de protection 20 offre une protection anti-feu performante. La figure 9 montre le comportement du panneau 10 si celui-ci est soumis à une flamme 32 de température très élevée (par exemple supérieure à 800°C). Dans un tel cas, il est possible que la chaleur générée par la flamme 32 et transmise par conduction à la structure sandwich 12 aboutisse à la fusion d’une partie de la peau arrière 16. Cependant la couche de protection 20 résiste au feu et n’est donc pas traversée par la flamme 32, si bien que la structure sandwich 12 conserve sont intégrité structurelle.
Bien que l’invention ait été décrite avec un exemple particulier de réalisation, il est bien évident qu’elle n’y est nullement limitée et qu’elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l’invention.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Panneau pour nacelle de turboréacteur d’aéronef, le panneau comportant une protection thermique et une protection anti-feu, le panneau comportant : - une structure sandwich (12) à base d’alliage d’aluminium, la structure sandwich (12) comportant une peau avant (14), une peau arrière (16) et une âme centrale (18) ; - une couche de protection (20) solidaire de la peau arrière (16), la couche de protection (20) comportant un matériau composite à matrice céramique.
- 2. Panneau selon la revendication précédente, dans lequel la couche de protection (20) comporte un matériau composite à matrice céramique de type oxyde-oxyde, comportant par exemple des fibres d’alumine ou d’aluminosilicate.
- 3. Panneau selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’âme centrale (18) présente une structure alvéolaire, par exemple en nid d’abeilles.
- 4. Panneau selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la peau avant (14) comporte une pluralité de perforations (140) dites perforations acoustiques.
- 5. Panneau selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’âme centrale (18), la peau avant (14) et la peau arrière (16) sont assemblées par brasage.
- 6. Panneau selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’âme centrale (18), la peau avant (14) et la peau arrière (16) sont protégées de la corrosion par plaquage d’aluminium sur au moins une face.
- 7. Procédé de fabrication d’un panneau pour nacelle de turboréacteur d’aéronef, le procédé comportant les étapes de : - réaliser une structure sandwich (12) en alliage d’aluminium, la structure sandwich (12) comportant une peau avant (14), une peau arrière (16) et une âme centrale (18) ; - convertir en alumine une partie de l’épaisseur de la peau arrière (16) par oxydation; - déposer sur la peau arrière (16) une couche fibreuse (24) comportant des fibres d’un matériau céramique ; et - procéder au frittage de la couche fibreuse (24), à une température permettant la consolidation du matériau céramique.
- 8. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la couche fibreuse (24) est, préalablement à l’étape de frittage, imprégnée d’une composition liquide comportant un précurseur de matrice céramique, le précurseur étant sous forme de particules de céramique en suspension dans un liquide.
- 9. Procédé selon la revendication précédente, comportant une étape de chauffage mise en oeuvre après l’étape d’imprégnation, et avant l’étape de frittage.
- 10. Procédé selon l’une des revendications 7 à 9, dans lequel est assuré, durant l’étape de frittage, le refroidissement de la structure sandwich (12).
- 11. Procédé selon l’une des revendications 7 à 10, dans lequel la structure sandwich (12) est assemblée par brasage.
- 12. Nacelle de turboréacteur comportant un ou plusieurs panneau(x) selon l’une des revendications 1 à 6, et/ou obtenu(s) conformément au procédé selon l’une des revendications 7 à 11.
- 13. Aéronef comportant une ou plusieurs nacelle(s) selon la revendication précédente.
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