FR3093015A1 - Procede de fabrication d’un rouet de compresseur de turbomachine - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’un rouet ou d’une roue de compresseur comprenant un moyeu (21) portant des pales (26), comportant une étape de fabrication d’un moyeu (21) comportant tout ou partie des pales (22), et une étape de fabrication additive par ajout de matière localisée avec un procédé tel que le procédé LMD pour former ou terminer chaque pales (26). Figure pour l’abrégé : Figure 6

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UN ROUET DE COMPRESSEUR DE TURBOMACHINE
L’invention concerne la fabrication d’un rouet de compresseur axial ou centrifuge destiné à équiper une turbomachine telle qu’un turboréacteur.
Comme représenté sur la figure 1, un rouet 1 de compresseur centrifuge est une pièce généralement monobloc comprenant un moyeu 2 ayant une forme de révolution autour d’un axe AX portant des pales 3. Ces pales sont des parois incurvées d’orientation oblique par rapport à l’axe AX, espacées les unes des autres autour de l’axe AX.
Dans le cas d’un rouet centrifuge tel que le rouet 1, le moyeu 2 a une face externe 4 côté veine d’air qui est axisymétrique, en forme de pavillon qui s’étend depuis une extrémité d’admission 6 jusqu’à une extrémité d’échappement 7 où elle a une forme généralement essentiellement radiale.
Lorsqu’il est monté dans la turbomachine, le rouet est entouré par une enveloppe non représentée, appelée couvercle, ayant elle aussi une forme de pavillon et dont la face interne est longée par les sommets des pales 3, c’est-à-dire leurs bords externes. En service, le fluide admis autour de l’extrémité d’admission 6 est comprimé en passant entre les pales 3, puis est évacué plus ou moins radialement au niveau de l’extrémité 7.
Comme visible sur la figure 1, chaque pale 3 a une forme générale très gauche ayant une orientation fortement inclinée par rapport à l’axe AX et une forme vrillée autour d’un axe normal à l’axe AX. En outre, ces pales 3 ont des épaisseurs relativement faibles et dont la loi résulte d’un compromis d’optimisation aéromécanique.
De manière analogue, une roue de compresseur axial telle que la roue 9 de la figure 3 comporte elle aussi un moyeu 11 portant des pales 12 plus ou moins régulièrement espacées autour de son axe AX. Dans le cas d’une roue axiale, le moyeu a une face externe essentiellement cylindrique ou légèrement conique, et les pales 12 sont elles aussi fortement incurvées et inclinées par rapport à l’axe AX. Contrairement au rouet centrifuge, dans le cas d’une roue axiale, le fluide est compressé en passant à travers les pales en étant évacué selon une direction essentiellement axiale.
Compte tenu des inclinaisons importantes des pales, de leur faible espacement et de leurs formes significativement incurvées, un tel rouet centrifuge ou une telle roue axiale sont fabriqués à partir d’une pièce brute en alliage telle que le brut 8 représenté sur la figure 2, qui est usiné avec une fraiseuse à commande numérique équipée d’une fraise boule.
L’optimisation des performances conduit à concevoir des pales ayant des géométries de plus en plus complexes : si les formes sont généralement fortement tridimensionnelles et présentent une inclinaison et un vrillage importants, les optimisations conduisent à des formes de plus en plus exotiques avec par exemple des sommets de pale en forme dite en baignoire et/ou avec des déports, ainsi qu’avec des bords d’attaque très travaillés ou renforcés.
Mais les degrés de liberté de cette optimisation sont fortement contraints par les procédés de fabrication : la fabrication par fraisage est limitée par l’espacement des pales et par leurs courbures qui pénalisent l’accès aux faces intrados et extrados. D’autres procédés de fabrication existent, mais présentent tous des points faibles : La fonderie pénalise les caractéristiques mécaniques, la métallurgie des poudres est complexe et coûteuse et nécessite un moule de précision, la fabrication additive laser sur lit de poudre est fortement pénalisée par les inclinaisons de contre-dépouille (downskin) des faces des pales ainsi que par les caractéristiques mécaniques en fatigue.
Ces contraintes de fabrication qui limitent l’optimisation des pales s’avèrent pénalisantes pour un rouet centrifuge, mais également pour une roue axiale ou encore pour un rouet dit mixte ou diagonal.
Le but de l’invention est d’apporter une solution de fabrication permettant d’étendre la gamme des formes de pales pouvant être fabriquées.
L’invention concerne un procédé de fabrication d’un rouet centrifuge ou mixte, ou une roue axiale de compresseur comprenant un moyeu portant des pales, comprenant les étapes de :
– fourniture d’un moyeu dépourvu de pales ou comprenant des amorces de pales ;
– ajout de matière localisé avec une buse selon un procédé de fabrication additive de type DMD pour former et/ou finir une pale ;
– au moins une rotation relative du moyeu par rapport à la buse ;
– ajout de matière localisé avec un procédé de fabrication additive de type DMD pour former et/ou finir une autre pale.
Avec cette solution, il est possible de réaliser toute forme de pale quel que soit leur courbure, leur empilage et leur espacement autour de l’axe du rouet.
L’invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel l’une des étapes d’ajout de matière localisé est une étape dans laquelle la matière ajoutée à une pale diffère de la matière constitutive de cette pale.
L’invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel au moins l’une des étapes d’ajout de matière localisé est une étape dans laquelle de la matière est ajoutée à un sommet d’une pale, cette matière étant plus abrasive que la matière constitutive de la pale.
L’invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel au moins l’une des étapes d’ajout de matière localisé est une étape dans laquelle de la matière est ajoutée à un bord d’attaque d’une pale, cette matière étant plus dure que la matière constitutive de la pale.
L’invention concerne également un procédé ainsi défini, comprenant en outre une étape d’usinage et/ou de polissage réalisée entre deux étapes d’ajout de matière localisée.
L’invention concerne également un compresseur comprenant un rouet centrifuge ou mixte, ou une roue axiale, fabriqué conformément à un procédé ainsi défini.
L’invention concerne également une turbomachine comprenant un compresseur ainsi défini.
déjà décrite est une vue d’ensemble en perspective d’un rouet centrifuge connu ;
déjà décrite est une vue d’ensemble montrant la fabrication d’un rouet centrifuge par fraisage ;
déjà décrite est une vue d’ensemble d’une roue axiale ;
est une représentation schématique d’un procédé de fabrication additive par ajout de matière localisé ;
est une vue d’ensemble d’une pièce brute utilisée pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention ;
est une vue d’ensemble d’un rouet centrifuge fabriqué conformément à l’invention.
L’idée à la base de l’invention est de partir d’une pièce brute délimitant au moins le moyeu du rouet, et de compléter cette pièce brute pour former ou terminer les pales avec un procédé de fabrication additive de type fusion/frittage par projection de poudre ou autre apport de matière, c’est-à-dire par lequel on réalise un ajout de matière localisé.
A la différence des procédés de fabrication additive sur lit de poudre tels que le procédé SLM (signifiant Selective Laser Melting), les procédés de fusion/frittage par projection permettent de réaliser des ajouts de matière localisés avec une buse positionnée sur la zone d’apport encore désignés par BPP (Blown Powder Process). La matière ajoutée localement peut également être apportée sous forme de fil à faire fondre selon le procédé WFP (Wire Fed Process).
L’un de ces procédés à ajout de matière localisé, la LMD (Laser Metal Deposition), parfois désigné par la marque déposée CLAD signifiant Construction Laser Additive Directe, consiste à utiliser un appareillage 13 comportant une buse 14 qui génère un faisceau laser 16 et apporte une ou des poudres métalliques 17, 18 pour faire fondre ces poudres sur un substrat 19. Durant le processus, la buse n’est pas en contact avec le substrat, et elle dépose successivement des couches d'un matériau métallique solidarisées à ce substrat.
Les fils ou poudres fondus constituent un dépôt sur la surface ou couche qui les porte, qui est elle aussi fusionnée au cours du processus, et plusieurs poudres de métaux d’apports différents peuvent être utilisées pour réaliser le cas échéant un alliage à proportions évolutives suivant la hauteur.
L’invention consiste à fabriquer un rouet à partir d’une pièce brute telle que la pièce brute 21 de la figure 5 ayant des éléments de pales incomplets sous forme d’amorces de pales ou complètement dépourvu de pales, et à ajouter ou compléter les éléments de pales 22 de cette pièce brute. La pièce 21 est par exemple issue de forgeage et de fraisage afin de garantir un niveau élevé de caractéristiques mécaniques notamment vis-à-vis de la fatigue, et l’ajout local de matière avec un procédé de fabrication additive de type fusion/frittage par projection permet de réaliser des formes complexes au niveau des aubages.
En pratique, la buse 14 est positionnée verticalement en étant orientée vers le bas comme sur la figure 4, et la pièce brute 21 est déplacée par rapport à cette buse 14, en étant par exemple portée par un bras robotisé.
On peut ainsi apporter de la matière sur un bord extérieur 23 d’un élément de pale 22 en positionnant ce bord extérieur 23 sous la buse 14, et en déplaçant la pièce 21 de telle manière que la buse 14 parcourt toute la longueur de ce bord extérieur 23 afin d’y déposer une ou plusieurs couches de matière additionnelle. Une fois qu’une ou plusieurs couches ont été ajoutées sur un élément de pale 22, la pièce est pivotée autour de son axe de symétrie AX pour placer le bord extérieur de l’élément de pale suivant en vis-à-vis de la buse 14 pour procéder de la même manière sur cet autre élément.
Les pales du rouet sont ainsi construites par couches successives : chaque passe consiste en l’ajout d’une ou plusieurs couches de métal sur les différents éléments d’aubages, et l’ensemble du rouet est formé en plusieurs passes de ce type. L’accessibilité est ainsi optimale et identique pour les différents éléments de pales tout au long du processus.
Cette solution permet en outre de retoucher les faces latérales des pales au cours de leur fabrication, par exemple pour réaliser un polissage de ces faces au fur et à mesure qu’elles sont construites, c’est-à-dire pendant qu’elles sont encore facilement accessibles.
Dans l’exemple de la figure 5, la pièce brute 21 comporte des éléments de pales 22 qui sont complétés par l’opération de fabrication additive pour former des pales complètes. Mais la pièce brute 21 peut aussi être complètement dépourvue de pales en se résumant à un moyeu, auquel cas chaque pale est entièrement formée sur cette pièce brute 21 par fabrication additive. La pièce brute peut aussi comporter des pales que la fabrication additive pourra compléter en ajoutant par exemple de la matière sur les bords d’attaques et sur les sommets de pales, c’est-à-dire leurs bords externes, le procédé constituant alors essentiellement une opération de finition du rouet.
D’une manière plus générale, le point de départ de la construction peut être un disque axisymétrique issu de tournage, ou éventuellement un disque à moyeu dit « 3D » fraisé, par exemple en Titane ou en Nickel, ou encore un moyeu dont la face externe porte déjà des éléments de pales plus ou moins complets comme dans l’exemple de la figure 5.
Une fois que l’opération est terminée, la pièce forme le rouet 24 représenté sur la figure 6, qui comporte des pales 26 complètes. Dans cet exemple de la figure 6, chaque pale 26 comporte en outre un sommet 27 sur lequel de la matière a été ajoutée par fabrication additive. Cet ajout sur les sommets 27 peut avantageusement être constitué d’un matériau abrasif permettant de s’affranchir du matériau abradable habituellement prévu à la face interne du couvercle entourant le rouet lorsqu’il est en service.
Dans le cas où le rouet est fabriqué en titane, susceptible de prendre feu en cas de contact direct avec le couvercle, l’ajout d’un matériau autre que du Titane en sommet de pale et idéalement abrasif par rapport au matériau du couvercle en vis-à-vis permet d’accroître la robustesse du rouet à la touche : le risque de feu est diminué en cas de contact des pales avec la face interne du couvercle, de sorte que la face interne du couvercle n’a plus à être couverte d’un matériau abradable.
Dans l’exemple de la figure 6, de la matière a également été ajoutée par fabrication additive sur les bords d’attaque 28 des pales 26, en l’occurrence un alliage plus dur et/ou plus résistant à l’érosion impactante que celle utilisée pour former le corps des pales, de manière à présenter une meilleure résistance aux chocs de corps étrangers et/ou à l’érosion par de petites particules (sable, poussière, cendres volcaniques…) entrant dans le compresseur.
Dans l’exemple qui a été décrit, l’invention est mise en œuvre avec le procédé de fabrication additive par ajout de matière localisé LMD (Laser Metal Deposition), mais le procédé selon l’invention peut être mis en œuvre avec d’autres procédés de fabrication additive par ajout de matière localisé. Dans ce cadre, on peut utiliser notamment d’autres procédés dans la famille des DMD (Direct Metal Deposition), par exemple la WFMD (Wire Feed Metal Deposition), ou encore la LMDW (wire-based laser metal deposition).
Par ailleurs, le procédé selon l’invention peut avantageusement être mis en œuvre avec une machine dite combinée assurant à la fois les opérations de fabrication additive et des opérations de fraisage mises en œuvre au cours du processus de construction des pales. Dans ce cas, les opérations de fraisage sont réalisées au fur et à mesure que les pales sont construites, pour par exemple restaurer l’état de surface des faces d’intrados et d’extrados, ou corriger l’épaisseur, au fur et à mesure qu’elles sont construites par fabrication additive, c’est-à-dire pendant qu’elles sont facilement accessibles.
D’une manière générale, la combinaison selon l’invention d’un procédé de fabrication additive par ajout de matière localisé avec un déplacement de la pièce par rapport à la buse d’apport de matière, permet de fabriquer des pales ayant des géométries plus complexes qu’avec un procédé de fabrication additive sur lit de poudre de type SLM.
En effet, dans le cas d’une fabrication additive sur lit de poudre SLM l’inclinaison des faces en devers de la pièce, c’est à dire des contre-dépouilles, est limitée à une valeur maximale, au-delà de laquelle la poudre du lit déposé ne peut pas tenir, interdisant de former la géométrie voulue.
Il est alors nécessaire de rechercher une orientation de la pièce assurant que les angles de contre-dépouille sont suffisamment faibles. Une telle orientation n’existe pas dans le cas d’un rouet de compresseur du fait qu’il s’agit d’une pièce de révolution dont les pales définissent des contre-dépouilles trop importantes quelle que soit son orientation.

Claims (8)

  1. Procédé de fabrication d’un rouet centrifuge ou mixte, ou une roue axiale de compresseur comprenant un moyeu (21) portant des pales (26), comprenant les étapes de :
    – fourniture d’un moyeu (21) dépourvu de pales (26) ou comprenant des amorces de pales (22) ;
    – ajout de matière localisé avec avec une buse (14) selon un procédé de fabrication additive de type DMD pour former et/ou finir une pale (26) ;
    – au moins une rotation relative du moyeu (21) par rapport à la buse (14) ;
    – ajout de matière localisé avec un procédé de fabrication additive de type DMD pour former et/ou finir une autre pale (26).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel au moins l’une des étapes d’ajout de matière localisé est une étape dans laquelle la matière ajoutée à une pale (26) diffère de la matière constitutive de cette pale (26).
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel au moins l’une des étapes d’ajout de matière localisé est une étape dans laquelle de la matière est ajoutée à un sommet (27) d’une pale (26), cette matière étant plus abrasive que la matière constitutive de la pale (26).
  4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l’une des étapes d’ajout de matière localisé est une étape dans laquelle de la matière est ajoutée à un bord d’attaque (28) d’une pale (26), cette matière étant plus dure que la matière constitutive de la pale (26).
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre une étape d’usinage et/ou de polissage réalisée entre deux étapes d’ajout de matière localisée.
  6. Procédé selon la revendication 5 mis en œuvre avec une machine-outil combinée apte à mettre en œuvre alternativement des opérations de fabrication additive et des opérations de fraisage ou de polissage.
  7. Compresseur comprenant un rouet (24) centrifuge ou mixte, ou une roue axiale fabriqué conformément à un procédé selon l’une des revendications précédentes.
  8. Turbomachine comprenant un compresseur selon la revendication 7.
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