FR3128484A1 - Blade comprising a composite material structure and associated manufacturing method - Google Patents

Blade comprising a composite material structure and associated manufacturing method Download PDF

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stiffeners
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Olivier BAZOT
Antoine Christophe LAUWICK Lucas
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Safran Aircraft Engines SAS
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Abstract

La présente invention concerne une aube comprenant une pale (7) à profil aérodynamique comprenant une première peau (21) et une deuxième peau (21) en vis-à-vis, les peaux (21) présentant chacune une face interne (22) délimitant entre elles une cavité (23) et étant réalisées dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux (20) obtenu par tissage tridimensionnel et une matrice comprenant une matière plastique dans laquelle est noyé le renfort fibreux (20). L’aube comprend également un ensemble de raidisseurs (30) monolithique avec les peaux (21) et s’étendant à travers la cavité (23) en étant fixé sur la face interne (22) de la première peau (21) et de la deuxième peau (21) de sorte à les relier. Figure pour l’abrégé : Fig. 3aThe present invention relates to a blade comprising a blade (7) with an aerodynamic profile comprising a first skin (21) and a second skin (21) facing each other, the skins (21) each having an internal face (22) delimiting between them a cavity (23) and being made of a composite material comprising a fibrous reinforcement (20) obtained by three-dimensional weaving and a matrix comprising a plastic material in which the fibrous reinforcement (20) is embedded. The blade also comprises a set of stiffeners (30) monolithic with the skins (21) and extending through the cavity (23) being fixed on the internal face (22) of the first skin (21) and of the second skin (21) so as to connect them. Figure for the abstract: Fig. 3a

Description

Aube comprenant une structure en matériau composite et procédé de fabrication associéBlade comprising a composite material structure and associated manufacturing method

DOMAINE DE L'INVENTIONFIELD OF THE INVENTION

L’invention concerne une aube d’un système propulsif pouvant comprendre une structure en matériau composite.The invention relates to a blade of a propulsion system which may comprise a structure made of composite material.

L’invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, une aube destinée à être utilisée dans un rotor ou un stator de soufflante d’un moteur d’aéronef, la soufflante pouvant être carénée ou non-carénée.The invention relates more particularly, but not exclusively, to a blade intended to be used in a rotor or a fan stator of an aircraft engine, the fan possibly being shrouded or unshrouded.

ETAT DE LA TECHNIQUESTATE OF THE ART

La conception des aubes de soufflante nécessite de prendre en compte des contraintes antagonistes.The design of fan blades requires taking into account antagonistic constraints.

D’un côté, le dimensionnement de ces aubes doit permettre des performances aérodynamiques optimales (maximiser le rendement et fournir la poussée tout en minimisant les pertes). L’amélioration des performances aérodynamiques de la soufflante tendant vers une augmentation du taux de dilution (ou BPR, acronyme anglais de bypass ratio) implique une augmentation du diamètre externe et donc de l’envergure de ces aubes.On the one hand, the sizing of these blades must allow optimal aerodynamic performance (maximizing efficiency and providing thrust while minimizing losses). Improving the aerodynamic performance of the fan tending towards an increase in the bypass ratio (or BPR, English acronym for bypass ratio) implies an increase in the external diameter and therefore the span of these blades.

D’un autre côté, il est également nécessaire de garantir une résistance aux contraintes mécaniques pouvant s’exercer sur ces aubes tout en limitant leur signature acoustique.On the other hand, it is also necessary to guarantee resistance to the mechanical stresses that can be exerted on these blades while limiting their acoustic signature.

L’intérêt des moteurs à soufflante (ou hélice) non-carénée est que le diamètre de la soufflante n’est pas limité par la présence d’un carénage, de sorte qu’il est possible de concevoir un moteur présentant un fort taux de dilution, et par conséquent une consommation réduite de carburant.The advantage of unducted fan (or propeller) engines is that the diameter of the fan is not limited by the presence of a fairing, so that it is possible to design an engine with a high rate of dilution, and therefore reduced fuel consumption.

Ainsi, dans ce type de moteur, les aubes de la soufflante peuvent présenter une grande envergure.Thus, in this type of engine, the blades of the fan can have a large span.

Il a été proposé de réaliser ces aubes en matériau métallique. Si les aubes en matériau métallique ont une bonne résistance mécanique, elles présentent toutefois l’inconvénient d’avoir une masse relativement importante.It has been proposed to make these vanes out of metallic material. Although blades made of metallic material have good mechanical strength, they nevertheless have the disadvantage of having a relatively large mass.

Afin de réduire cette masse, il est souhaitable de pouvoir fabriquer ces aubes en matériau composite. A cet effet, le matériau composite des aubes de soufflante comprend généralement un renfort fibreux réalisé par tissage tridimensionnel densifié par une matrice polymère. Le cas échéant, les aubes peuvent comprendre des peaux réalisées en matériau composite et définissant la structure à profil aérodynamique de l’aube, et une ou plusieurs pièces de remplissage (mousses, nid d’abeilles, etc.) logées dans une cavité délimitée par les peaux, afin de limiter leur déformation sous chargement aérodynamique et leurs modes vibratoires spécifiques. Il ressort toutefois que les pièces de remplissage et leur interface entre avec le matériau composite sont susceptibles de s’endommager lors du fonctionnement du moteur sous l’effet des chargements répétés en statique et/ou en dynamique. De tels endommagements ont cependant pour conséquence de modifier la réponse vibratoire de l’aube et donc de réduire sa durée de vie ainsi que sa certification.In order to reduce this mass, it is desirable to be able to manufacture these blades in composite material. To this end, the composite material of the fan blades generally comprises a fibrous reinforcement produced by three-dimensional weaving densified by a polymer matrix. Where appropriate, the blades may comprise skins made of composite material and defining the aerodynamic profile structure of the blade, and one or more filling parts (foams, honeycomb, etc.) housed in a cavity delimited by the skins, in order to limit their deformation under aerodynamic loading and their specific vibration modes. However, it appears that the filling parts and their interface with the composite material are likely to be damaged during engine operation under the effect of repeated static and/or dynamic loading. However, such damage has the consequence of modifying the vibration response of the blade and therefore reducing its service life and its certification.

Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités, en proposant une aube, notamment une aube mobile de soufflante ou une aube de guidage (stator) externe, en matériau composite qui soit simple à réaliser tout en limitant de manière efficace la déformation du profil de l’aube en fonctionnement.An object of the invention is to remedy the aforementioned drawbacks, by proposing a blade, in particular a mobile fan blade or an external guide vane (stator), made of composite material which is simple to produce while effectively limiting the deformation of the blade profile in operation.

Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention, une aube comprenant une pale à profil aérodynamique comprenant une première peau et une deuxième peau en vis-à-vis, les première et deuxième peaux présentant chacune une face interne délimitant entre elles une cavité et étant réalisées dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel et une matrice comprenant une matière plastique dans laquelle est noyé le renfort fibreux. L’aube comprend en outre un ensemble de raidisseurs dont un matériau constitutif est identique à la matière plastique de la matrice, chaque raidisseur étant monolithique avec la première peau et la deuxième peau et s’étendant à travers la cavité en étant fixé sur la face interne de la première peau et de la deuxième peau de sorte à les relier.It is for this purpose proposed, according to a first aspect of the invention, a blade comprising a blade with an aerodynamic profile comprising a first skin and a second skin facing each other, the first and second skins each having an internal face delimiting between them a cavity and being made of a composite material comprising a fibrous reinforcement obtained by three-dimensional weaving and a matrix comprising a plastic material in which the fibrous reinforcement is embedded. The blade further comprises a set of stiffeners whose constituent material is identical to the plastic material of the matrix, each stiffener being monolithic with the first skin and the second skin and extending through the cavity while being fixed on the face internal of the first skin and the second skin so as to connect them.

Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de l’aube selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- les faces internes des peaux sont directement reliées entre elles au niveau d’une jonction qui délimite la cavité, les peaux étant disjointes au niveau d’une limite inférieure de la cavité qui est adjacente à un pied de l’aube, chaque raidisseur étant configuré de sorte à mettre en communication fluidique la jonction avec la limite inférieure de la cavité ;
- la cavité présente une limite inférieure adjacente à un pied de l’aube et une limite supérieure adjacente à un sommet de l’aube, tout ou partie des raidisseurs s’étendant radialement dans la cavité de la limite inférieure à la limite supérieure de la cavité ;
- les raidisseurs s’étendant radialement dans la cavité sont rectilignes ou incurvés ;
- la cavité présente une limite inférieure adjacente à un pied de l’aube et une limite supérieure adjacente à un sommet de l’aube, une hauteur totale de la cavité étant égale à une distance maximale entre la limite inférieure et la limite supérieure, tout ou partie des raidisseurs présentant une hauteur strictement inférieure à la hauteur de la cavité ;
- les raidisseurs présentant une hauteur strictement inférieure à la hauteur de la cavité comprennent des pontets de section circulaire ou parallélépipédique dont une hauteur est préférentiellement inférieure ou égale à 40 % de la hauteur totale de la cavité, de préférence inférieure ou égale à 10 % de la hauteur totale, par exemple entre 2 % et 5 % de la haute totale ; et/ou
- l’aube présente une hauteur supérieure ou égale à 50 cm et inférieure ou égale à 160 cm, de préférence supérieure ou égale à 70 cm, par exemple de 80 cm à 100 cm.Certain preferred but non-limiting characteristics of the blade according to the first aspect are the following, taken individually or in combination:
- the internal faces of the skins are directly connected to each other at a junction which delimits the cavity, the skins being separated at the level of a lower limit of the cavity which is adjacent to a root of the blade, each stiffener being configured so as to place the junction in fluid communication with the lower limit of the cavity;
- the cavity has a lower limit adjacent to a root of the blade and an upper limit adjacent to a tip of the blade, all or part of the stiffeners extending radially in the cavity from the lower limit to the upper limit of the cavity;
- the stiffeners extending radially in the cavity are straight or curved;
- the cavity has a lower limit adjacent to a root of the blade and an upper limit adjacent to a tip of the blade, a total height of the cavity being equal to a maximum distance between the lower limit and the upper limit, while or part of the stiffeners having a height strictly lower than the height of the cavity;
- the stiffeners having a height strictly less than the height of the cavity comprise bridges of circular or parallelepiped section, the height of which is preferably less than or equal to 40% of the total height of the cavity, preferably less than or equal to 10% of the total height, for example between 2% and 5% of the total height; and or
- the dawn has a height greater than or equal to 50 cm and less than or equal to 160 cm, preferably greater than or equal to 70 cm, for example from 80 cm to 100 cm.

Selon un deuxième aspect, l’invention propose une soufflante comprenant un aubage rotorique ou statorique comportant des aubes selon le premier aspect. L’aubage (rotorique ou statorique) peut présenter un diamètre supérieur ou égal à 150 cm, de préférence supérieur ou égal à 200 cm, par exemple inférieur ou égal à 400 cm.According to a second aspect, the invention proposes a fan comprising a rotor or stator blading comprising vanes according to the first aspect. The blading (rotoric or statoric) may have a diameter greater than or equal to 150 cm, preferably greater than or equal to 200 cm, for example less than or equal to 400 cm.

Selon un troisième aspect, l’invention propose un système propulsif comprenant une soufflante comportant des aubes selon le premier aspect et un carter, les aubes étant montées sur un moyeu de soufflante et configurées pour être mobiles en rotation autour d’un axe de la soufflante, ou fixées sur le carter du système propulsif.According to a third aspect, the invention proposes a propulsion system comprising a fan comprising blades according to the first aspect and a casing, the blades being mounted on a fan hub and configured to be able to rotate around an axis of the fan , or attached to the casing of the propulsion system.

Selon un quatrième aspect, l’invention propose un aéronef comprenant au moins un système propulsif conforme au troisième aspect.According to a fourth aspect, the invention proposes an aircraft comprising at least one propulsion system in accordance with the third aspect.

Selon un cinquième aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’une aube selon le premier aspect comprenant les étapes suivantes :
- tissage du renfort fibreux de sorte à former la première peau, la deuxième peau et la cavité ;
- insertion d’un noyau dans la cavité, le noyau formant des passages traversants dont la forme et l’agencement correspondent à la forme et à l’agencement des raidisseurs ;
- placement du renfort fibreux comprenant le noyau dans un moule et injection de matière plastique dans le moule de manière à remplir les passages traversants pour former les raidisseurs et à noyer le renfort fibreux dans la matière plastique ; et
- dissolution du noyau.According to a fifth aspect, the invention proposes a method for manufacturing a blade according to the first aspect comprising the following steps:
- weaving of the fibrous reinforcement so as to form the first skin, the second skin and the cavity;
- inserting a core into the cavity, the core forming through passages whose shape and arrangement correspond to the shape and arrangement of the stiffeners;
- placement of the fibrous reinforcement comprising the core in a mold and injection of plastic material into the mold so as to fill the through passages to form the stiffeners and to embed the fibrous reinforcement in the plastic material; And
- dissolution of the nucleus.

DESCRIPTION DES FIGURESDESCRIPTION OF FIGURES

D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :Other characteristics, objects and advantages of the invention will emerge from the description which follows, which is purely illustrative and not limiting, and which must be read in conjunction with the appended drawings in which:

La représente de manière schématique un exemple de moteur incluant une soufflante non-carénée ; There schematically represents an example of an engine including an unducted fan;

La illustre un exemple d’aéronef comprenant des moteurs conformes à un mode de réalisation de l’invention ; There illustrates an example of an aircraft comprising engines in accordance with one embodiment of the invention;

La est une vue en coupe d’une aube conforme à un premier mode de réalisation, dans un plan comprenant la corde de l’aube en pied d’aube et l’axe d’extension de l’aube ; There is a cross-sectional view of a blade in accordance with a first embodiment, in a plane including the blade chord at the blade root and the blade extension axis;

La est une vue en coupe de l’aube de la dans un plan normal à l’axe d’extension de l’aube ; There is a sectional view of the dawn of the in a plane normal to the blade extension axis;

La est une vue en coupe d’une aube conforme à un deuxième mode de réalisation, dans un plan comprenant la corde de l’aube en pied d’aube et l’axe d’extension de l’aube ; et There is a cross-sectional view of a blade according to a second embodiment, in a plane including the blade chord at the blade root and the blade extension axis; And

La est un organigramme illustrant des étapes d’un exemple de procédé de fabrication d’une aube conforme à l’invention. There is a flowchart illustrating the steps of an example of a method for manufacturing a blade in accordance with the invention.

Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.In all the figures, similar elements bear identical references.

Claims (11)

Aube (7) comprenant une pale (7) à profil aérodynamique comprenant une première peau (21) et une deuxième peau (21) en vis-à-vis, les première et deuxième peaux (21) présentant chacune une face interne (22) délimitant entre elles une cavité (23) et étant réalisées dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux (20) obtenu par tissage tridimensionnel et une matrice comprenant une matière plastique dans laquelle est noyé le renfort fibreux (20),
l’aube étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre un ensemble de raidisseurs (30) dont un matériau constitutif est identique à la matière plastique de la matrice, chaque raidisseur étant monolithique avec la première peau (21) et la deuxième peau (21) et s’étendant à travers la cavité (23) en étant fixé sur la face interne (22) de la première peau (21) et de la deuxième peau (21) de sorte à les relier.Blade (7) comprising a blade (7) with an aerodynamic profile comprising a first skin (21) and a second skin (21) facing each other, the first and second skins (21) each having an internal face (22) delimiting between them a cavity (23) and being made of a composite material comprising a fibrous reinforcement (20) obtained by three-dimensional weaving and a matrix comprising a plastic material in which the fibrous reinforcement (20) is embedded,
the blade being characterized in that it further comprises a set of stiffeners (30) whose constituent material is identical to the plastic material of the matrix, each stiffener being monolithic with the first skin (21) and the second skin ( 21) and extending through the cavity (23) being fixed on the internal face (22) of the first skin (21) and of the second skin (21) so as to connect them. Aube (7) selon la revendication 1, dans laquelle les faces internes (22) des peaux (21) sont directement reliées entre elles au niveau d’une jonction (24) qui délimite la cavité (23), les peaux (21) étant disjointes au niveau d’une limite inférieure (26) de la cavité (23) qui est adjacente à un pied de l’aube (7), chaque raidisseur (30) étant configuré de sorte à mettre en communication fluidique la jonction (24) avec la limite inférieure (26) de la cavité (23).Blade (7) according to Claim 1, in which the internal faces (22) of the skins (21) are directly connected to one another at the level of a junction (24) which delimits the cavity (23), the skins (21) being separated at the level of a lower limit (26) of the cavity (23) which is adjacent to a root of the blade (7), each stiffener (30) being configured so as to place the junction (24) in fluid communication with the lower limit (26) of the cavity (23). Aube (7) selon l’une des revendications 1 et 2, dans laquelle la cavité (23) présente une limite inférieure (26) adjacente à un pied de l’aube (7) et une limite supérieure (25) adjacente à un sommet (9) de l’aube (7), tout ou partie des raidisseurs (30) s’étendant radialement dans la cavité (23) de la limite inférieure (26) à la limite supérieure (25) de la cavité (23).Blade (7) according to one of Claims 1 and 2, in which the cavity (23) has a lower limit (26) adjacent to a root of the blade (7) and an upper limit (25) adjacent to a tip (9) of the blade (7), all or part of the stiffeners (30) extending radially in the cavity (23) from the lower limit (26) to the upper limit (25) of the cavity (23). Aube (7) selon la revendication 3, dans laquelle les raidisseurs (30) s’étendant radialement dans la cavité (23) sont rectilignes ou incurvés.Blade (7) according to claim 3, in which the stiffeners (30) extending radially in the cavity (23) are straight or curved. Aube (7) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle la cavité (23) présente une limite inférieure (26) adjacente à un pied de l’aube (7) et une limite supérieure (25) adjacente à un sommet (9) de l’aube (7), une hauteur totale de la cavité (23) étant égale à une distance maximale entre la limite inférieure (26) et la limite supérieure (25), tout ou partie des raidisseurs (30) présentant une hauteur strictement inférieure à la hauteur de la cavité (23).Blade (7) according to one of Claims 1 to 4, in which the cavity (23) has a lower limit (26) adjacent to a root of the blade (7) and an upper limit (25) adjacent to a tip (9) of the blade (7), a total height of the cavity (23) being equal to a maximum distance between the lower limit (26) and the upper limit (25), all or part of the stiffeners (30) having a height strictly less than the height of the cavity (23). Aube (7) selon la revendication 5, dans laquelle les raidisseurs (30) présentant une hauteur strictement inférieure à la hauteur de la cavité (23) comprennent des pontets de section circulaire ou parallélépipédique dont une hauteur est préférentiellement inférieure ou égale à 40 % de la hauteur totale de la cavité (23), de préférence inférieure ou égale à 10 % de la hauteur totale, par exemple entre 2 % et 5 % de la haute totale.Blade (7) according to claim 5, in which the stiffeners (30) having a height strictly less than the height of the cavity (23) comprise bridges of circular or parallelepipedic section, the height of which is preferably less than or equal to 40% of the total height of the cavity (23), preferably less than or equal to 10% of the total height, for example between 2% and 5% of the total height. Aube (7) selon l’une des revendications 1 à 6 présentant une hauteur supérieure ou égale à 50 cm et inférieure ou égale à 160 cm, de préférence supérieure ou égale à 70 cm, par exemple de 80 cm à 100 cm.Blade (7) according to one of claims 1 to 6 having a height greater than or equal to 50 cm and less than or equal to 160 cm, preferably greater than or equal to 70 cm, for example from 80 cm to 100 cm. Soufflante (3) comprenant un aubage rotorique ou statorique comportant des aubes (7) selon l’une des revendications 1 à 7.Fan (3) comprising a rotor or stator blading comprising vanes (7) according to one of Claims 1 to 7. Soufflante (3) selon la revendication 8, dans lequel l’aubage présente un diamètre supérieur ou égal à 150 cm, de préférence supérieur ou égal à 200 cm, par exemple inférieur ou égal à 400 cm.Fan (3) according to claim 8, in which the blading has a diameter greater than or equal to 150 cm, preferably greater than or equal to 200 cm, for example less than or equal to 400 cm. Système propulsif (1) comprenant une soufflante comportant des aubes selon l’une des revendications 1 à 7 et un carter (2), les aubes (7) étant montées sur un moyeu (6) de soufflante (3) et configurées pour être mobiles en rotation autour d’un axe (X) de la soufflante, ou fixées sur le carter du système propulsif (1).Propulsion system (1) comprising a fan comprising blades according to one of Claims 1 to 7 and a casing (2), the blades (7) being mounted on a hub (6) of the fan (3) and configured to be movable in rotation around an axis (X) of the fan, or fixed on the casing of the propulsion system (1). Procédé de fabrication (S) d’une aube (7) selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes :
- tissage (S1) du renfort fibreux (20) de sorte à former la première peau (21), la deuxième peau (21) et la cavité (23) ;
- insertion (S2) d’un noyau dans la cavité (23), le noyau formant des passages traversants dont la forme et l’agencement correspondent à la forme et à l’agencement des raidisseurs (30) ;
- placement (S3) du renfort fibreux (20) comprenant le noyau dans un moule et injection de matière plastique dans le moule de manière à remplir les passages traversants pour former les raidisseurs (30) et à noyer le renfort fibreux (20) dans la matière plastique ; et
- dissolution (S4) du noyau.Method of manufacturing (S) a blade (7) according to one of claims 1 to 7, comprising the following steps:
- weaving (S1) of the fibrous reinforcement (20) so as to form the first skin (21), the second skin (21) and the cavity (23);
- insertion (S2) of a core in the cavity (23), the core forming through passages whose shape and arrangement correspond to the shape and arrangement of the stiffeners (30);
- placement (S3) of the fibrous reinforcement (20) comprising the core in a mold and injection of plastic material into the mold so as to fill the through passages to form the stiffeners (30) and to embed the fibrous reinforcement (20) in the plastic material ; And
- dissolution (S4) of the nucleus.
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