Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02918702 2016-01-19
WO 2015/015101
PCT/FR2014/051935
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Carter de turbomachine et procédé de fabrication
Domaine de l'invention
L'invention concerne un carter de turbomachine et un procédé de
fabrication d'un carter de turbomachine.
Présentation de l'Art Antérieur
La Figure 1 représente une partie amont de turbomachine
comprenant une soufflante 100, entourée d'un carter 101 de soufflante. Le
carter de soufflante 100 se prolonge par un carter 102 intermédiaire
comprenant un anneau 103 ou virole.
L'anneau 103 du carter 102 intermédiaire comprend une pluralité
d'éléments de fixation, qui permettent la fixation d'organes de la
turbomachine sur le carter 102, comme le module d'entraînement
d'accessoires (ou ADM pour Accessory Drive Module ).
Un tel carter intermédiaire est par exemple décrit dans le brevet
FR2925120 ou dans la demande de brevet FR1262269.
Le carter 102 intermédiaire est classiquement fabriqué par usinage
dans la masse d'un brut en aluminium, acier ou titane. Les organes à
assembler sont par la suite rapportés sur la pièce issue de l'usinage du brut.
Cette solution présente plusieurs inconvénients.
Elle implique de lourdes étapes d'usinage, ce qui entraîne une
augmentation des coûts de fabrication.
En outre, les éléments de fixation sont nécessairement rapportés sur
la pièce, ce qui alourdit la pièce en raison de la masse des rondelles, vis,
et
brides supplémentaires permettant l'assemblage.
Présentation de l'invention
Afin d'améliorer les solutions existantes, l'invention propose un
procédé de fabrication d'un carter de turbomachine, caractérisé en ce qu'il
comprend les étapes consistant à :
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¨ fabriquer une pluralité de secteurs, au moins une partie des
secteurs étant fabriqués par fonderie et comprenant à leur
surface des éléments d'attache obtenus lors de l'étape de
fonderie, et
¨ assembler les secteurs bout à bout de sorte à former un
anneau du carter.
L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques
suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison
techniquement possible :
¨ lors de l'étape de fabrication des secteurs par fonderie, des
bandeaux d'assemblage sont obtenus aux extrémités des secteurs,
par lesquels les secteurs peuvent être assemblés, et/ou des
éléments d'attache ;
¨ le procédé comprend l'étape consistant à usiner la face externe des
bandeaux d'assemblage avant l'assemblage des secteurs ;
¨ le procédé comprend l'étape consistant à assembler les secteurs par
soudage ou par boulonnage ;
¨ le procédé comprend l'étape consistant à, après l'assemblage des
secteurs :
o usiner les secteurs, de sorte à façonner des éléments
complémentaires de fixation à la surface des secteurs, et/ou
o usiner, au moins partiellement, les bandeaux d'assemblage.
L'invention concerne en outre un carter de turbomachine, caractérisé
en ce qu'il comprend un anneau constitué d'un assemblage d'une pluralité
de secteurs, au moins une partie des secteurs étant fabriquée d'un seul
tenant avec des éléments d'attache à leur surface par un procédé de
fonderie.
Selon un mode de réalisation, les secteurs sont en titane.
Selon un mode de réalisation, les secteurs comprennent des
bandeaux d'assemblage à leurs extrémités, par lesquels les secteurs sont
assemblés.
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En particulier, les bandeaux d'assemblage présentent une largeur
constante, et/ou les bandeaux d'assemblage présentent une hauteur dont le
profil suit l'évolution du profil d'épaisseur des extrémités des secteurs.
Enfin, l'invention concerne une turbomachine comprenant une
soufflante et un carter tel que décrit précédemment.
L'invention offre de nombreux avantages.
La fabrication des secteurs par fonderie permet d'intégrer les
éléments d'attache dès leur fabrication, ce qui évite des étapes ultérieures
de rapport et de boulonnage de pièces supplémentaires. La masse et les
coûts associés sont donc réduits.
La solution réduit le nombre et la complexité des étapes d'usinage
nécessaires à la fabrication du carter.
De plus, la solution offre un bon compromis entre la masse du carter
et les coûts de fabrication.
En outre, le carter comprenant une pluralité de secteurs de plus
petite taille que le carter lui-même, les opérations de fabrication sont donc
réalisables par un plus grand nombre de fondeurs.
La taille réduite des secteurs permet d'améliorer les tolérances de
forme de fonderie.
Enfin, la solution est applicable même à des carters de grandes
dimensions, le carter étant subdivisé en plusieurs secteurs de plus petites
dimensions.
Présentation des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non
limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la Figure 1 est une vue partielle d'une turbomachine ;
- la Figure 2 est une représentation d'un secteur du carter du type
équipé de chapes de fixation ;
- la Figure 3 est une représentation d'un autre type de secteur du
carter ;
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- les Figures 4A et 4B sont une représentation de l'assemblage
des secteurs du carter ;
- la Figure 5 est une représentation du carter après une étape
ultérieure d'usinage ;
- la Figure 6 est
une représentation schématique d'un procédé de
fabrication du carter.
Description détaillée
On a représenté sur les figures différentes étapes et éléments
permettant la fabrication d'un carter 1 de turbomachine.
Il peut par exemple s'agir du carter 1 dit intermédiaire qui est
juxtaposé au carter de la soufflante dans la turbomachine, comme déjà
illustré en Figure 1. La solution s'applique également aux autres carters de
la turbomachine (carter fan, etc.).
Une pluralité de secteurs 2, tels que ceux illustrés en Figures 2 et 3
sont fabriqués par fonderie (étape El - procédé de formage des métaux qui
consiste à couler un métal liquide dans un moule pour reproduire, après
refroidissement, une pièce donnée).
Les secteurs 2 comprennent à leur surface des éléments 3 d'attache.
Ces éléments 3 d'attache comprennent notamment des bossages ou
chapes pour la fixation d'axes, de brides, de bras, ou toute pièce mécanique
de la turbomachine liée au carter 1. Les éléments 3 d'attache sont fabriqués
lors de l'étape de fonderie.
Grâce au procédé de fonderie, les secteurs 2 sont fabriqués d'un
seul tenant avec les éléments 3 d'attache à leur surface, ce qui évite des
étapes de boulonnage et de rapport de pièces supplémentaires.
De manière classique, les secteurs 2 comprennent des nervures 7
servant de raidisseurs de la structure. Ces nervures 7 sont également
fabriquées lors de l'étape de fonderie.
Après fabrication des secteurs 2 par fonderie, ceux-ci sont
assemblés bout à bout de sorte à former un anneau 5 du carter 1.
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L'assemblage des secteurs 2 peut par exemple s'effectuer par
soudage. D'autres opérations d'assemblage sont possibles comme par
exemple par boulonnage des secteurs 2 entre eux.
Selon une variante, l'assemblage comprend une opération de
5 formage à chaud permettant d'améliorer la circularité de l'anneau 5 du
carter 1.
Selon une variante de réalisation, une partie des secteurs 2 à
assembler est fabriquée selon un procédé de fabrication différent, comme
un laminage, notamment de type circulaire.
La fabrication des secteurs 2 peut comprendre l'obtention de
bandeaux 8 d'assemblage aux extrémités des secteurs 2, par lesquels les
secteurs 2 sont assemblés. Ces bandeaux 8 sont obtenus par intégration
par fonderie ou par venue de matière avec les secteurs 2.
Ces bandeaux 8 d'assemblage sont fabriqués lors de l'étape de
fonderie. Par conséquent, ceux-ci sont également d'un seul tenant avec les
secteurs 2, et ne nécessitent pas de rapporter des pièces supplémentaires.
Ces bandeaux 8 d'assemblage, présents aux extrémités des
secteurs 2 présentent une face externe 8a brute de fonderie nécessitant un
usinage. Un usinage de la face externe 8a brute des bandeaux 8 (étape E2)
est réalisé avant l'assemblage des secteurs.
Les bandeaux 8 permettent notamment de faciliter les opérations de
soudage ou de boulonnage des secteurs 2 entre eux, et de réduire les
variations d'épaisseur aux extrémités des secteurs 2.
Différentes formes de bandeaux 8 d'assemblage peuvent être
utilisées. Une forme simple est celle d'un parallélépipède.
Selon un exemple de réalisation, les bandeaux 8 d'assemblage
présentent une largeur L constante. La largeur est la dimension du bandeau
8 d'assemblage selon l'axe tangentiel à l'anneau 5 formée par les secteurs
2 (voir Figure 2).
Ce choix d'une largeur L constante permet une meilleure diffusion de
l'énergie de soudage, ou une distribution suffisante de la matière pour des
efforts de boulonnage uniformément répartis et l'usage de vis identiques.
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La hauteur H des bandeaux 8 d'assemblage peut être constante ou
variable.
Il est préférable que la hauteur H présente une variation dont
l'amplitude est limitée (en particulier, les variations brusques, de type
marches d'escalier, sont à proscrire), afin de faciliter le soudage des
bandeaux 8 entre eux.
Selon un exemple de réalisation, la hauteur H présente un profil qui
suit l'évolution du profil d'épaisseur des extrémités des secteurs 2.
Le profil de la hauteur H n'est pas strictement identique au profil des
épaisseurs des extrémités des secteurs 2, afin de ne pas avoir de variations
en forme de marches d'escalier, mais en suit la tendance.
Ceci est notamment visible en Figures 2 et 3, où l'on peut voir que le
profil de la hauteur H présente des minimas et des maximas aux mêmes
endroits que le profil de l'épaisseur des extrémités des secteurs 2.
Les secteurs 2 sont des secteurs angulaires, dont l'étendue angulaire
varie selon différents critères comme le nombre souhaité de secteurs de
l'anneau, le diamètre du carter à fabriquer, les tolérances de fabrication de
l'opération de fonderie, et la position des éléments 3 d'attache sur les
secteurs 2.
L'anneau 5 comprend au moins deux secteurs 2, mais peut
également comprendre un nombre supérieur de secteurs 2 (par exemple,
dans le cas d'un anneau de diamètre égal à 2m, une dizaine de secteurs de
600mm de corde environ).
L'étendue angulaire des secteurs 2 est choisie afin que les bandeaux
8 d'attache situés en leurs extrémités ne soient pas en contact avec les
éléments 3 d'attache des secteurs 2.
En outre, il est souhaitable de disposer d'un maximum de secteurs 2
dont l'étendue angulaire est la même, afin de réduire le nombre de bruts
différents nécessaires à leur fabrication, et donc les coûts de fabrication.
Après assemblage (étape E3) des secteurs 2 via leurs bandeaux 8
d'assemblage, les bandeaux 8 peuvent être, au moins partiellement, usinés
(étape E4). Cet usinage permet de réduire l'épaisseur des bandeaux 8 au
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strict minimum, afin de réduire la masse du carter 1. Avantageusement, les
bandeaux 8 sont supprimés par usinage (voir la Figure 5 où les bandeaux 8
ont été usinés après l'assemblage opéré à la Figure 4B).
En outre, les secteurs 2 sont usinés après leur assemblage de sorte
à façonner des éléments 12 complémentaires de fixation à la surface des
secteurs 2.
Ces éléments 12 complémentaires de fixation sont par exemple des
éléments dont les tolérances de fabrication requises sont fines et ne
peuvent être atteintes lors de l'étape de fonderie. Il s'agit par exemple
d'ouvertures pratiquées dans les nervures 7 des secteurs 2.
Selon un mode de réalisation, les secteurs 2 sont en titane. Le titane
est connu pour sa bonne tenue mécanique et sa bonne tenue au feu. Il
devient possible de réduire significativement les épaisseurs de brides ou de
corps.
Ce choix de matériau permet ainsi de réduire la masse du carter 1
par rapport à d'autres matériaux connus, comme l'aluminium, l'usage de ce
dernier étant moins adapté compte tenu de ses moindres tenues mécanique
et au feu.
En outre, la fabrication du carter 1 par l'intermédiaire d'un
assemblage d'une pluralité de secteurs 2 issus d'un procédé de fonderie
permet de réduire la matière nécessaire pour les bruts, notamment par
rapport aux solutions mettant en oeuvre un usinage dans la masse d'un
unique brut. En effet, le rapport entre la matière de la pièce finale et la
matière du brut est nettement plus avantageux dans cette solution que dans
un usinage dans la masse d'un unique brut.
Par conséquent, bien que le titane présente un coût supérieur à
l'aluminium et présente des problèmes d'usinabilité, le coût engendré par le
choix du titane comme matériau des bruts est faible, l'aluminium présentant
d'autre part des problèmes de moulage lors des opérations de fonderie.
La fabrication des secteurs 2 par fonderie permet en outre d'intégrer
les éléments 3 d'attache à la surface des secteurs 2 dès la fabrication des
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secteurs, ce qui évite des étapes ultérieures de rapport et de boulonnage de
pièces supplémentaires. La masse et les coûts associés sont donc réduits.
Le préformage des secteurs 2 par fonderie permet en outre de
réduire le nombre et la complexité des étapes d'usinage, ce qui réduit
encore les coûts associés.
La solution s'applique à tout carter de turbomachine. Elle s'applique
notamment au carter intermédiaire de la turbomachine, en aval du carter fan
selon le sens d'écoulement du flux.
Elle s'applique avantageusement, mais non limitativement, aux
carters de grande dimension, c'est-à-dire dont le diamètre est supérieur à
1,50 mètres.
