Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2014/191670
PCT/FR2014/051231
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AUBE DE DISQUE DE ROTOR AVEC RETENUE DU PIED PAR FROTTEMENT,
DISQUE DE ROTOR, TURBOMACHINE ET PROCÉDÉ D'ASSEMBLAGE ASSOCIÉ
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des
aubes de turbomachine en matériau composite comportant un renfort
fibreux densifié par une matrice.
Le domaine visé est celui des aubes mobiles destinées à être
montées sur des disques de rotor de turbines à gaz pour moteurs
aéronautiques ou turbines industrielles.
Ce type d'aube est originellement issu de fonderie et comporte
un pied en forme de bulbe. Le pied brut est usiné avec précision afin
d'assurer une interface mécanique efficace avec son logement dans le
disque de rotor.
La réalisation d'aubes similaires en matériau composite pour des
turbomachines a déjà été proposée. On pourra par exemple se référer à la
demande de brevet US 2011/311368 qui décrit la fabrication d'une aube
de turbomachine par réalisation d'une préforme fibreuse par tissage
tridimensionnel ou multicouche et densification de la préforme par une
matrice. Le pied d'aube en matériau composite reprend la géométrie de
bulbe afin d'assurer la reprise de l'effort centrifuge et de faciliter
l'intégration des aubes en matériau composite dans l'environnement
moteur existant.
Dans le cas des aubes en matériau composite, le pied d'aube est
réalisé en utilisant un insert positionné dans une déliaison de la préforme
textile afin de former une portion en forme de bulbe au niveau de la partie
de l'aube correspondant à son pied.
Cependant, cette technique de formation de pied d'aube
complexifie la fabrication industrielle de l'aube et augmente son coût de
fabrication car elle engendre des pertes de matière importantes et
demande des manipulations délicates qui ralentissent la vitesse de
production. En outre, l'insert, lui aussi en matériau composite, doit être
densifié et usiné, ce qui entraîne un coût supplémentaire et
éventuellement des rejets de pièces.
Le textile de la préforme, mobile par nature, interagit
mécaniquement avec l'insert et peut conduire notamment à des
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cisaillements du textile, rotations de l'insert, déliaisons entre l'insert et
le
textile, etc.
Par ailleurs, le moulage et la densification de la partie de la
préforme destinée à former le pied d'aube s'avèrent délicates en
particulier parce que les tolérances sur le profil du pied en forme de bulbe
sont très faibles (de l'ordre du dixième de millimètre) et que les exigences
en termes de propriétés mécaniques de cette partie de l'aube sont
importantes, le pied de l'aube concentrant la majorité des efforts
appliqués sur l'aube.
Le document US 2010/189562 divulgue une aube de
turbomachine en matériau composite présentant au niveau de sa partie
destinée à former le pied d'aube une portion sensiblement plane, la
géométrie du pied étant obtenue en enserrant cette portion entre deux
plaques métalliques maintenues en place par un pion soudé. Cette
conception permet de faciliter la fabrication de l'aube en composite car la
géométrie du pied en forme de bulbe ou équivalent qui est difficile à
obtenir à partir de la préforme textile est assurée par adjonction de
plaques métalliques sur les flancs d'une portion plane qui est simple à
réaliser en matériau composite.
Cependant, comme indiqué ci-avant, le pied d'aube correspond
à la partie de l'aube qui concentre la plupart des efforts appliqués sur
l'aube puisqu'il est destiné à assurer le maintien de l'aube dans le disque
vis-à-vis des forces centrifuges. Dans le cas du maintien des plaques
métalliques par un pion soudé comme décrit dans le document US
2010/189562, les efforts appliqués par les forces centrifuges sont
essentiellement repris au niveau de la portion en matériau composite de
l'aube en contact avec le pion lorsque les forces de frottements entre les
plaques métalliques et les flancs de l'aube en matériau composite sont
insuffisantes pour reprendre ces efforts. Il existe alors dans cette situation
un risque d'endommagement du matériau composite, voire de rupture par
matage de celui-ci.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de proposer une
aube en matériau composite dont la géométrie du pied peut être réalisée
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de manière aisée et reproductible tout en assurant une reprise fiable des
efforts appliqués sur le pied d'aube.
Ce but est atteint grâce à une aube de disque de rotor pour
turbomachine en matériau composite comprenant un renfort fibreux
obtenu par tissage multicouche de fils et densifié par une matrice, l'aube
comprenant une partie constitutive de pale et pied d'aube formant une
seule pièce, le pied d'aube ayant deux flancs latéraux opposés
sensiblement plans qui sont formés dans le prolongement respectif des
surfaces intrados et extrados de la pale, le pied d'aube étant enserré entre
deux plaques métalliques fixées contre les flancs latéraux du pied d'aube
par une vis et un écrou traversant les plaques et le pied d'aube,
caractérisée en ce que la vis comprend une tête en appui sur
une des deux plaques et en ce que l'écrou comprend une tête en appui
sur l'autre plaque, la vis et l'écrou appliquant sur les plaques métalliques
un effort de serrage minimal apte à assurer une reprise, par frottement
entre les plaques métalliques et les flancs latéraux du pied d'aube, d'une
force centrifuge déterminée appliquée à l'aube.
En assurant par le serrage des plaques un contact non glissant
entre celles-ci et les flancs du pied d'aube, la reprise de la force
centrifuge
(efforts de traction) au niveau du pied d'aube est répartie sur la totalité de
la surface de contact entre les plaques et les flancs du pied en composite.
On évite ainsi la concentration de contraintes au niveau de la zone de
contact entre l'organe de fixation des plaques et la portion correspondante
du pied en matériau composite qui peut conduire à un endommagement
du pied de l'aube. Par ce contact non glissant, on réduit également la
sensibilité au manque de compensation du moment centrifuge par le
moment aérodynamique de la pale de l'aube qui peut entraîner un
basculement du pied de l'aube dans l'alvéole du disque dans laquelle il est
logé.
Selon un premier aspect de l'aube de l'invention, l'effort de
serrage minimal est déterminé en divisant la force centrifuge déterminée
par le coefficient de frottement entre les plaques métalliques et les flancs
latéraux de pied d'aube.
Selon un deuxième aspect de l'aube de l'invention, la vis et
l'écrou comporte une tête de forme conique tandis que les plaques
4
comportent un chanfrein correspondant permettant d'intégrer totalement
la vis et l'écrou dans les plaques.
Selon un troisième aspect de l'aube de l'invention, chaque
plaque métallique comporte sur sa face opposée à celle en contact avec le
pied d'aube au moins une portion faisant saillie, ladite portion présentant
une forme apte à assurer une ou les deux fonctions suivantes : anti-
basculement et étanchéité.
Selon un quatrième aspect de l'aube de l'invention, le pied
d'aube comporte un trou oblong ou festonnage s'étendant dans la
direction de la longueur de l'aube pour le passage de la vis et de l'écrou.
Le trou oblong ou festonnage permettant de relâcher les contraintes
thermodynamiques.
Selon un cinquième aspect de l'aube de l'invention, la face de
chaque plaque en regard avec le pied d'aube présente une surface
structurée de manière à augmenter le frottement entre les plaques et le
pied d'aube. La face de chaque plaque en regard avec le pied d'aube peut
notamment comporter un moletage droit ou croisé orienté en fonction de
la direction des efforts centrifuges auxquels l'aube est soumise.
Selon un sixième aspect de l'aube de l'invention, les plaques
métalliques ont un coefficient de dilatation thermique supérieur au
coefficient de dilatation thermique de la vis et de l'écrou. L'effort de
serrage est ainsi maintenu lors des montées en température.
Selon un septième aspect de l'aube de l'invention, les plaques
métalliques, la vis et l'écrou présentent des coefficients de dilatation
thermique évoluant de manière similaire sur tout ou partie d'une plage de
température comprise entre 0 C et 800 C, ce qui permet de mieux
contrôler le maintien du serrage sur toute la plage de température.
L'invention concerne également un disque de rotor de
turbomachine comprenant à sa périphérie extérieure une pluralité
d'alvéoles métalliques sensiblement axiales et une pluralité d'aubes telles
que définies précédemment, chaque aube étant montée par son pied dans
une alvéole du disque. L'invention concerne encore une turbomachine
comportant au moins un tel disque de rotor.
L'invention concerne encore un procédé d'assemblage de
plaques sur un pied d'aube, ladite aube étant réalisée en matériau
composite comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage multicouche
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de fils et densifié par une matrice, l'aube comprenant une partie
constitutive de pale et pied d'aube formant une seule pièce, le pied d'aube
ayant deux flancs latéraux opposés sensiblement plans qui sont formés
dans le prolongement respectif des surfaces intrados et extrados de la
pale, le pied d'aube étant enserré entre deux plaques métalliques fixées
contre les flancs latéraux du pied d'aube par une vis et un écrou
traversant les plaques et le pied d'aube,
caractérisé en ce que la vis comprend une tête en appui sur
une des deux plaques, l'écrou comprenant une tête en appui sur l'autre
plaque, et en ce qu'on applique sur les plaques métalliques lors du serrage
de la vis avec l'écrou un effort de serrage minimal apte à assurer une
reprise, par frottement entre les plaques métalliques et les flancs latéraux
du pied d'aube, d'une force centrifuge déterminée appliquée à l'aube.
Comme expliqué ci-avant, en fixant les plaques métalliques sur
le pied d'aube selon un contact non glissant par un effort de serrage
minimal, on répartit la reprise de la force centrifuge (efforts de traction)
au niveau du pied d'aube sur la totalité de la surface de contact entre les
plaques et les flancs du pied en composite. On évite ainsi la concentration
de contraintes au niveau de la zone de contact entre l'organe de fixation
des plaques et la portion correspondante du pied en matériau composite
qui peut conduire à un endommagement du pied de l'aube. Par ce contact
non glissant, on réduit également la sensibilité au manque de
compensation du moment centrifuge par le moment aérodynamique de la
pale de l'aube qui peut entraîner un basculement du pied de l'aube dans
l'alvéole du disque dans laquelle il est logé.
Selon un aspect du procédé de l'invention, l'effort de serrage
minimal est déterminé en divisant la force centrifuge déterminée par le
coefficient de frottement entre les plaques métalliques et les flancs
latéraux de pied d'aube.
L'invention vise aussi une aube de disque de rotor pour
turbomachine en matériau composite comprenant un renfort fibreux
obtenu par tissage multicouche de fils et densifié par une matrice, l'aube
comprenant une partie constitutive de pale et pied d'aube formant une
seule pièce, le pied d'aube ayant deux flancs latéraux opposés
sensiblement plans qui sont formés dans le prolongement respectif des
surfaces intrados et extrados de la partie constitutive de pale, le pied
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d'aube étant enserré entre deux plaques métalliques fixées contre les
flancs latéraux du pied d'aube par une vis et un écrou traversant les
plaques et le pied d'aube, la vis comprenant une tête en appui sur une des
deux plaques, l'écrou comprenant une tête en appui sur l'autre plaque, la
vis et l'écrou appliquant sur les plaques métalliques un effort de serrage
apte à assurer une reprise, par frottement entre les plaques métalliques et
les flancs latéraux du pied d'aube, d'une force centrifuge déterminée
appliquée à l'aube,
dans laquelle chaque plaque métallique comporte sur sa face
opposée à celle en contact avec le pied d'aube au moins une portion
faisant saillie, ladite portion présentant une forme apte à assurer une ou
les deux fonctions suivantes : anti-basculement et étanchéité.
L'invention vise aussi un procédé d'assemblage de plaques
métalliques sur un pied d'aube, ladite aube étant réalisée en matériau
composite comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage multicouche
de fils et densifié par une matrice, l'aube comprenant une partie
constitutive de pale et pied d'aube formant une seule pièce, le pied d'aube
ayant deux flancs latéraux opposés sensiblement plans qui sont formés
dans le prolongement respectif des surfaces intrados et extrados de la
partie constitutive de pale, et chaque plaque métallique comportant une
face ayant au moins une portion faisant saillie, ladite portion présentant
une forme apte à assurer une ou les deux fonctions suivantes : anti-
basculement et étanchéité, le procédé comprenant les étapes de:
positionner le pied d'aube entre les deux plaques métalliques
avec ladite face ayant ladite au moins une portion faisant saillie placée en
opposition du pied de l'aube ;
enserrer le pied de l'aube entre les deux plaques métalliques en
fixant contre les flancs latéraux du pied d'aube chacune des plaques
métalliques en serrant une vis et un écrou traversant les plaques et le pied
d'aube, la vis comprenant une tête en appui sur une des deux plaques,
l'écrou comprenant une tête en appui sur l'autre plaque, et
appliquer sur les plaques métalliques lors du serrage de la vis
avec l'écrou un effort de serrage minimal apte à assurer une reprise, par
frottement entre les plaques métalliques et les flancs latéraux du pied
d'aube, d'une force centrifuge déterminée appliquée à l'aube.
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Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins
annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout
caractère limitatif. Sur les figures : _____________________
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- la figure 1 est une vue en perspective montrant une aube de
turbomachine selon un mode de réalisation de l'invention ;
- les figures 2 et 3 est une vue en perspective montrant le
montage de plaques sur le pied d'aube de la figure 1 selon un mode de
réalisation de l'invention ;
- la figure 4 est une vue en perspective montrant le pied d'aube
des figures 2 et 3 une fois monté ;
- la figure 5 est une vue en perspective montrant un pied d'aube
comportant un trou oblong selon un autre mode de réalisation de
l'invention ;
- la figure 6 est une vue partielle en perspective montrant le
montage du pied d'une aube de la figure 4 sur un disque de rotor ;
- la figure 7 est une vue partielle en perspective du disque de
rotor de la figure 6 muni d'aubes de la figure 4.
Description détaillée de modes de réalisation
L'invention est applicable à différents types d'aubes mobiles en
matériau composite de turbomachine, notamment des aubes de
compresseur et de turbine de différents corps de turbines à gaz, par
exemple une aube de disque de rotor de turbine basse-pression, telle que
celle illustrée par la figure 1.
De façon connue en soi, l'aube 10 de la figure 1 comprend une
pale 12, un pied 14 formé par une partie de plus forte épaisseur et
prolongé par une échasse 16, et une plateforme 18 située entre l'échasse
16 et la pale 12. L'aube peut également comporter, comme illustré ici, un
talon 19 au voisinage de l'extrémité libre 20 de la pale.
La pale 12 forme une surface aérodynamique qui s'étend en
direction longitudinale depuis la plateforme 18 jusqu'à son extrémité libre
20. Elle présente un profil incurvé d'épaisseur variable formé d'une surface
intrados 12a et d'une surface extrados 12b reliées transversalement par
un bord d'attaque 12c et un bord de fuite 12d.
L'aube 10 est réalisée en matériau composite à partir de
procédés connus de l'homme du métier. Par matériau composite , on
entend ici tout matériau formé à partir d'un renfort fibreux comblé par une
matrice comme par exemple les matériaux à matrice céramique (CMC)
(renfort en fibres de carbone ou céramique comblé par une matrice au
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moins partiellement céramique), les matériaux carbone/carbone (C/C)
(renfort en fibres de carbone et matrice en carbone), les matériaux
oxyde/oxyde (renfort en fibres oxyde et matrice oxyde), les matériaux à
matrice organique (CMO) (renfort en fibres de verre, carbone ou autre et
matrice organique), etc. On pourra par exemple se référer à la demande
de brevet US 2011/311368 qui décrit la fabrication d'une telle aube
comprenant un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel de fils et
densifié par une matrice. Avec un tel procédé, la partie constitutive de
pale 12 forme une seule pièce avec le pied 14 de l'aube. Dans l'exemple
décrit ici, l'aube est réalisée en matériau composite à matrice céramique
(CMC).
De par son procédé de fabrication particulier, l'aube 10 présente
en outre, au niveau de son pied 14, deux flancs latéraux opposés 22, 24
qui sont sensiblement plans et qui sont formés dans le prolongement
respectif des surfaces intrados 12a et extrados 12b de la pale 12.
Selon l'invention et comme représenté sur les figures 2 à 4, le
pied 14 de l'aube 10 est enserré entre deux plaques métalliques 26, 28
fixées respectivement contre les flancs latéraux 22, 24 du pied.
La fixation des plaques métalliques 26 et 28 s'effectue au
moyen d'au moins une vis 30 et un écrou 40 traversant, selon une
direction sensiblement perpendiculaire aux flancs latéraux, des orifices 260
et 280 ménagés respectivement dans les plaques 26 et 28 et un orifice 25
ménagé au travers du pied 14 de l'aube. L'écrou 40 est de préférence un
écrou auto-freiné. L'orifice 25 du pied de l'aube est ajouté au cours du
processus de fabrication de l'aube, soit par l'utilisation d'un insert de
forme correspondante lors du tissage, soit par le perçage du pied après la
première infiltration. Dans le mode de réalisation décrit ici, la vis 30
comporte une tête 31 de forme tronconique coopérant avec un chanfrein
261 ménagé dans la plaque 26 tandis que l'écrou 40 comporte une tête 41
également de forme tronconique coopérant avec un chanfrein 281
ménagé dans la plaque 28. De cette manière, la tête de vis et la tête
d'écrou ne dépassent pas de la surface externe des plaques 26 et 28 et
permettent l'insertion du pied de l'aube dans des logements de petites
dimensions. La vis 30 comporte une tige filetée 32 coopérant avec un
taraudage 43 formé à l'intérieur d'une tige creuse 42 de l'écrou 40 lors du
serrage de la liaison de fixation des plaques. L'écrou 40 comporte au
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niveau de sa tête 41 un méplat 410 destiné à coopérer avec un méplat
282 ménagé dans le chanfrein 281 de la plaque 28 afin de contrer la
rotation de l'écrou 40 lors de son serrage avec la vis 30.
Conformément à l'invention, le serrage de la vis 30 avec l'écrou
40 est réalisé suivant un effort de serrage minimal apte à assurer une
reprise par frottement entre les plaques métalliques 26 et 28 et les flancs
latéraux 22 et 24 du pied d'aube d'une force centrifuge ou effort de
traction déterminé appliqué à l'aube. En effet, l'effort de serrage minimal
doit permettre d'assurer un contact non glissant entre, d'une part, la face
interne 26a de la plaque métallique 26 et le flanc 22 du pied d'aube 14 et,
d'autre part, la face interne 28a de la plaque métallique 28 et le flanc 24
du pied d'aube 14. Le contact entre les plaques métalliques et les flancs
du pied d'aube doit rester non glissant face à l'effort de traction maximal
rencontré en fonctionnement qui correspond à la force centrifuge
maximale exercée sur l'aube durant son utilisation. L'effort de serrage
minimal à appliquer sur les plaques est calculé à partir de la formule
suivante :
Effort de serrage=force centrifuge appliquée à l'aube/coefficient de
frottement
Le serrage de la vis est par exemple réalisé avec une clé
dynamométrique qui permet de contrôler l'effort de serrage appliqué.
Les faces internes 26a et 28a des plaques métalliques 26 et 28
respectivement en regard des flancs 22 et 24 du pied d'aube 14 peuvent
comporter une surface structurée afin de réaliser un ancrage mécanique
des plaques métalliques sur les flancs du pied d'aube. Dans l'exemple
décrit ici, les faces internes 26a et 28a des plaques métalliques 26 et 28
compotent chacune un moletage droit 265, 285 orienté
perpendiculairement à l'axe de l'aube et, par conséquent, au sens de
l'effort de traction appliqué à l'aube. Avec un tel moletage, on obtient un
coefficient de frottement entre les plaques et les flancs du pied d'aube
proche de 1, l'effort de serrage à appliquer dans ce cas étant égal à la
force centrifuge maximale. Le moletage peut être également croisé ou
strié. Le coefficient de frottement entre les plaques et les flancs du pied
d'aube peut être également augmenté en formant une couche rugueuse
9
ou abrasive, telle qu'une couche de brasure, entre les plaques métalliques
et les flancs du pied d'aube.
En outre, afin d'éviter l'apparition de contraintes locales entre la
liaison vis-écrou et le matériau composite de l'aube et permettre le
relâchement des contraintes thermomécaniques, l'orifice de passage de la
liaison ménagé dans le pied d'aube peut présenter une forme oblongue,
comme illustré sur la figure 5 qui montre un pied 114 d'une aube 100
comportant un orifice de passage 125 de forme oblongue s'étendant dans
la longueur de l'aube 100. L'orifice de passage de la liaison ménagé dans
le pied d'aube peut présenter d'autres formes adaptées telles qu'un
feston nage.
Afin de maintenir l'effort de serrage sur toute la plage de
température que l'aube est susceptible de rencontrer en fonctionnement,
plage comprise typiquement entre 0 C et 800 C, on choisit pour la vis et
l'écrou un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique
inférieur au coefficient de dilatation thermique des plaques de manière à
ce que, lors des montées en températures, le système vis-écrou se dilate
moins que les plaques assurant ainsi le maintien de la précontrainte
appliquée sur les plaques. A titre d'exemples non limitatifs, la vis et
l'écrou
peuvent être réalisés en alliage haute performance à base de nickel de
type HaynesC) 242 ou WaspaloyC) tandis que les plaques sont réalisées
en acier inoxydable A286 ou en Inconel 718.
Par ailleurs, l'aube, les plaques métalliques, la vis et l'écrou sont
réalisés avec des matériaux qui présentent de préférence des coefficients
de dilatation thermique évoluant de manière similaire sur tout ou partie
d'une plage de température comprise entre 0 C et 800 C. En effet, en
ayant une quasi-homothétie dans les courbes d'évolution des coefficients
de dilatation thermique de l'ensemble de ces éléments, la tenue du
serrage est mieux contrôlée lors des variations de température. A titre
d'exemples non limitatifs, une aube en matériau composite avec des
plaques en acier inoxydable A286 ou en Inconel 718 et un système vis-
écrou en alliage haute performance à base de nickel de type HaynesC)
242 ou WaspaloyC) présentent des coefficients de dilatation thermique
évoluant de manière identique. Les plaques métalliques sont usinées
suivant une forme permettant de conférer au pied d'aube une géométrie
adaptée au logement du disque ou roue dans lequel il doit être inséré.
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Dans l'exemple décrit ici, les plaques 26 et 28 sont usinées de manière à
former respectivement des portions d'épaisseur réduites 262 et 282
conférant au pied d'aube une fois montées sur celui-ci une forme de bulbe
apte à coopérer avec un logement 51 d'un disque de rotor 50 tel que
5 représenté sur les figures 6 et 7. Comme illustrées sur les figures 6 et
7,
chaque aube 10 est montée sur le disque 50 en engageant le pied 14
enserré entre les plaques 26 et 28 dans un logement ou alvéole 51.
Chaque logement 51 est séparé du logement adjacent par une dent 52
comportant une partie supérieure 53 ayant une forme renflée destinée à
10 retenir l'aube lors de la rotation du disque.
Dans le mode de réalisation décrit ici, les plaques 26 comportent
deux portions 263 et 264 faisant saillie depuis la surface externe de la
plaque et s'étendant sensiblement perpendiculairement à cette surface. De
même, les plaques 28 comportent deux portions 283 et 284 faisant saillie
depuis la surface externe de la plaque et s'étendant sensiblement
perpendiculairement à cette surface. Comme illustrées sur la figure 7, les
portions 263, 264, 283 et 284 jouent à la fois le rôle de muret anti-
basculement pour l'aube et assurent une fonction d'étanchéité, les
portions 263 et 264 d'une aube venant respectivement n contact des
portions 283 et 284 d'une autre aube adjacente.
L'utilisation de plaques métalliques permet de conférer au pied
d'aube une géométrie précise et reproductible, et ce dans de petites
dimensions, le pied d'aube de compresseur basse pression décrite ci-avant
présentant typiquement une largeur I de l'ordre de 10 mm (figure 6) et
devant être insérée dans un logement ayant des dimensions équivalentes
sans dégagement.
