L’´eprouvette technologique aube simulacre est employ´ee pour des essais par deux par-tenaires du programme de recherche dans lequel s’inscrit ce travail de th`ese : l’ONERA et l’ENSMA (Institut P’). La probl´ematique de l’ENSMA concerne l’´ecaillage de la barri`ere thermique. Leurs essais seront r´ealis´es sur une aube simulacre non perfor´ee (pas de trou de film-cooling) sur le banc `a flamme MAATRE. Il s’agit d’un banc avec un syst`eme de re-froidissement par air `a l’int´erieur de l’´eprouvette. Le banc comprend ´egalement une machine de fatigue hydraulique, afin d’appliquer des efforts uniaxiaux. La g´eom´etrie de l’aube simu-lacre est donc r´ealis´ee en collaboration entre les deux laboratoires, et doit tenir compte des contraintes des deux installations d’essai. Notamment, l’utilisation d’une veine fluide dans le banc `a flamme, impose de prendre en compte l’interaction entre l’´eprouvette et la circulation des gaz chauds.
2.3.1 D´efinition de la g´eom´etrie de l’aube `a partir de l’aube de r´ef´erence
Une aube de turbine haute pression SNECMA de r´ef´erence, dont on poss`ede un retour d’exp´erience sur l’amorc¸age des fissures, est s´electionn´ee. Cette aube ´etant mobile (rotor), elle ne poss`ede pas d’attache dans sa partie haute permettant d’y appliquer un effort de traction.
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A l’oppos´e, la partie fixe (stator) de l’´etage haute pression, appel´ee distributeur poss`ede une plateforme de part et d’autre de la pˆale, permettant d’appliquer des efforts. La solution de
braser un bloc d’AM1 `a une aube mobile, pour servir de tˆete `a l’´eprouvette, est ´ecart´ee car le soudage est jug´e difficilement r´ealisable. L’ensemble serait en outre, trop fragile compte tenu des efforts `a appliquer. Par ailleurs, la g´eom´etrie de la pˆale de l’aube est courb´ee, ce qui engendrerait des contraintes de flexion lors de la traction. Enfin, la longueur de l’ensemble est trop courte et non compatible avec le banc MAATRE.
Une deuxi`eme solution bas´ee sur un moule de fonderie existant est envisag´ee. Ce moule sert pour la fabrication d’aubes de distributeurs de turbine haute pression pour un moteur diff´erent du moteur de r´ef´erence. Ces aubes ont l’avantage d’ˆetre suffisamment longues pour ˆetre compatibles avec la veine fluide et poss`edent des plateformes de chaque cˆot´e. Toutefois, l’´epaisseur de paroi de 2 mm n’est pas repr´esentative de l’aube de r´ef´erence. Cette solution est donc ´egalement ´ecart´ee.
On choisit donc la solution de r´ealiser un moule enti`erement nouveau, ce qui laisse une grande libert´e pour la d´efinition de la g´eom´etrie de l’´eprouvette. Le travail a donc consist´e `a d´efinir une g´eom´etrie d’aube simulacre repr´esentative de l’aube de r´ef´erence, compatible avec les deux installations, et r´ealisable par fonderie. Un premier choix, a ´et´e de d´efinir une aube avec un section droite, pour ´eviter des efforts de flexion parasites lors de la traction.
Le choix de la section de l’aube simulacre est fait `a partir d’une section critique de l’aube de r´ef´erence en termes d’amorc¸age. Pour la d´efinir, un pr´ec´edent calcul par ´el´ements finis de l’aube bas´e sur une approche de type ≪zoom structural≫ est utilis´e. Pour cela, un pre-mier calcul sur le maillage de la g´eom´etrie compl`ete a ´et´e r´ealis´e. Ce maillage ne poss`ede pas les perforations de film cooling, car les mailler, rendrait le probl`eme trop lourd pour ˆetre r´esolu num´eriquement. Il permet n´eanmoins de d´efinir des zones critiques, qui sont extraites du maillage complet et remaill´ees plus finement en y ajoutant les perforations. Notamment, le bas du bord d’attaque est remaill´e avec les perforations de film cooling. Lors du calcul ´el´ements finis sur le nouveau maillage, le champ de d´eplacement impos´e au bord, est extrait du calcul complet sans perforation.
Ces calculs ont ´et´e r´ealis´es sur le bord d’attaque de l’aube de r´ef´erence par Gallerneau, Kanout´e et Roos [Gallerneau et al., 2008]. Ils ont mis en ´evidence que les zones d’amorc¸age sont situ´ees sur les perforations. Les coordonn´ees du point de dur´ee de vie minimale sont relev´ees. Une section dont la normale est l’axe de l’effort centrifuge et passant par le point pr´ec´edemment d´efini, est alors extraite du maillage de l’aube compl`ete. Le contour de la sur-face ext´erieure ainsi que les canaux internes de la section, sont entr´es dans un logiciel de Conception Assist´ee par Ordinateur (CAO) et extrud´es afin d’obtenir un volume 3D. Deux blocs carr´es sont ajout´es de chaque cˆot´e, avec un cong´e de raccordement. Ces deux derni`eres ´etapes sont r´ealis´ees `a l’ENSMA et ont permi d’aboutir `a la g´eom´etrie montr´ee FIGURE 1.8. On peut aussi voir le positionnement de l’´eprouvette par rapport `a l’´ecoulement des gaz dans le banc MAATRE. L’angle d’incidenceθ entre l’´ecoulement et la pointe du bord d’attaque, est donn´e par l’angle d’incidence sur le moteur de r´ef´erence, et est donc fixe.
Plusieurs probl`emes sont apparus concernant cette premi`ere g´eom´etrie. Tout d’abord, il a ´et´e remarqu´e que l’aube simulacre pouvait bloquer l’´ecoulement de la veine fluide du banc MAATRE. Ceci `a cause d’une surface frontale (projection du volume sur un plan perpen-diculaire `a l’´ecoulement) trop importante. Deuxi`emement, la forte massivit´e des tˆetes a pos´e probl`eme pour la fonderie, car cela pourrait cr´eer des d´efauts de fonderie aux cong´es de
raccor-Vue BB A A 50 mm 4 5 m m Sens ecoulement banc MAATRE θ Angle d'incidence
B B
V ue AAFIGURE1.8 – Vue sch´ematique de l’aube simulacre dans sa version initiale. La g´eom´etrie des
canaux est sch´ematique pour des raisons de confidentialit´e industrielle
dement entre la paroi mince et les tˆetes massives. Troisi`emement, la plus grande difficult´e pour la fabrication par fonderie a ´et´e le maintien du noyau de fonderie lors de l’´etape de coul´ee. En effet, pour respecter les tol´erances dimensionnelles des ´epaisseurs de paroi, il est n´ecessaire de rigidifier le noyau. Ce probl`eme est fortement amplifi´e par la grande longueur de l’´eprouvette, compar´ee `a la taille habituelle des aubes monocristallines r´ealis´ees par la SNECMA. Il a donc ´et´e n´ecessaire de modifier la g´eom´etrie de l’´eprouvette.
2.3.2 Modifications de la g´eom´etrie de r´ef´erence
Le probl`eme de blocage de la veine du banc MAATRE a ´et´e r´esolu par la suppression de bord de fuite de l’aube. La surface frontale est ainsi diminu´ee, et cela permet de ne pas bloquer l’´ecoulement. Pour cela, la cavit´e de refroidissement dans le bord de fuite est supprim´ee et la paroi anguleuse est remplac´ee par un rayon relativement semblable au bord d’attaque. Pour diminuer la massivit´e des tˆetes, la taille des blocs de mati`ere a ´et´e r´eduite au maximum, tout en conservant suffisamment de mati`ere pour y usiner un syst`eme d’amarrage. Enfin, le noyau de fonderie a ´et´e rigidifi´e, en ajoutant des pontets entre les diff´erents canaux de refroidissement.
Les tˆetes de l’´eprouvette ONERA ont ensuite ´et´e redessin´ees, de mani`ere `a y adapter un syst`eme d’amarrage proche de celui utilis´e pour les ´eprouvettes tubulaires. Pour cela, une partie cylindrique est dessin´ee dans les cubes des tˆetes, pour assurer le centrage de l’´eprouvette. Une gorge est ensuite pr´evue pour un serrage par clavettes. Le plan simplifi´e de l’´eprouvette aube simulacre ONERA, est montr´e FIGURE 1.9(a). La longueur totale de l’´eprouvette est fix´ee `a 172.21 mm et la longueur de la zone utile `a 77 mm.
Une vue des deux noyaux de fonderie est montr´ee FIGURE1.9(b). On constate la pr´esence des pontets de rigidification reliant les 3 canaux de chaque noyau. L’inconv´enient de ces pontets, est qu’ils engendrent des trous dans les parois internes des canaux et donc des
concen-Trou rep ère 2.1 (a) (b)
FIGURE 1.9 – ´Eprouvette aube simulacre ONERA (a) Plan de l’aube apr`es suppression du
bord de fuite (la g´eom´etrie des canaux est modifi´ee pour cause de confidentialit´e industrielle) (b) Vue des deux noyaux servant `a la fabrication de l’aube simulacre
trations de contrainte, ainsi que des passages d’air entre les canaux.