FR2485659A1 - COMPOSITE METAL SHAFT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME - Google Patents
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Abstract
ARBRE EN METAL COMPOSITE A HAUT MODULE SPECIFIQUE, ET PROCEDE POUR SA FABRICATION. UN TUBE EXTERIEUR METALLIQUE 2 TRANSMET LE COUPLE ET UN MANCHON COMPOSITE 3 EN METAL ET FILAMENTS A HAUT MODULE EST LIE A LA SURFACE INTERIEURE DU TUBE. LE MANCHON COMPOSITE EST FABRIQUE ET LIE AU TUBE PAR ENROULEMENT D'UNE BANDE COMPOSITE SUR UN MANDRIN, LES FILAMENTS ETANT ALIGNES AXIALEMENT. LE MANDRIN EST ENSUITE INTRODUIT DANS LE TUBE. L'ENSEMBLE EST OBTURE ET MIS SOUS VIDE, PUIS LE MANDRIN EST PORTE A UNE PRESSION ET UNE TEMPERATURE SUFFISANTES POUR OBTENIR LA LIAISON PAR DIFFUSION ET LA CONSOLIDATION DE LA FEUILLE COMPOSITE PROPREMENT DITE, AINSI QUE DE CETTE FEUILLE A LA SURFACE INTERIEURE DE L'ARBRE. L'INVENTION S'APPLIQUE PARTICULIEREMENT AUX ARBRES PRINCIPAUX DE TURBINE A GAZ.SHAFT IN COMPOSITE METAL WITH A SPECIFIC HIGH MODULE, AND PROCESS FOR ITS MANUFACTURING. AN EXTERIOR METAL TUBE 2 TRANSMITS TORQUE AND A COMPOSITE SLEEVE 3 IN METAL AND HIGH MODULAR FILAMENTS IS BOUNDED TO THE INTERIOR SURFACE OF THE TUBE. THE COMPOSITE SLEEVE IS MANUFACTURED AND BONDED TO THE TUBE BY WINDING A COMPOSITE TAPE ON A CHUCK WITH THE FILAMENTS BEING AXIALLY ALIGNED. THE CHUCK IS THEN INSERTED INTO THE TUBE. THE ASSEMBLY IS CLOSED AND VACUUMED, THEN THE CHUCK IS AT A PRESSURE AND A SUFFICIENT TEMPERATURE TO OBTAIN THE BINDING BY DIFFUSION AND THE CONSOLIDATION OF THE COMPOSITE SHEET PROPERLY, AS WELL AS THIS SHEET TO THE INTERIOR SURFACE OF THE TREE. THE INVENTION APPLIES PARTICULARLY TO THE MAIN SHAFTS OF A GAS TURBINE.
Description
La présente invention se rapporte à un arbre métallique composite et à unThe present invention relates to a composite metal shaft and to a
procédé pour sa fabrication; elle vise, plus particulièrement, un arbre de ce type pour process for its manufacture; it aims, more particularly, a tree of this type for
turbine à gaz.gas turbine.
Il y a une tendance constante, dans la techno- logie des turbines gAaz, à la fabrication de moteurs plus There is a consistent trend in gAaz turbine technology for the production of larger motors.
petits et de meilleur rendement, avec une puissance spêci- small and of best performance, with a special power
fique accrue. Ces changements conduisent inévitablement à des vitesses et à des niveaux de fatigue plus élevés pour les principaux éléments du moteur. Un arbre de sortie de increased. These changes inevitably lead to higher speeds and fatigue levels for the main engine components. An output tree of
puissance du moteur est un exemple important de cette si- engine power is an important example of this
tuation, puisque la combinaison d'une vitesse plus grande du rotor et d'un diamètre d'arbre plus petit engendre des difficultés de vitesse critique. Une solution consiste à diminuer la longueur effective d'arbre, par adjonction de The combination of greater rotor speed and smaller shaft diameter results in critical speed difficulties. One solution is to reduce the effective length of the tree, by adding
paliers supplémentaires. Il en résulte des complexités mé- additional bearings. This results in complexities
caniques accrues, pour réaliser et assembler un moteur plus petit. Une solution plus simple et plus pratique à cette difficulté consiste à fabriquer des arbres ayant un rapport plus élevé du module au poids spécifique, cequi permet d'obtenir une rigidité spécifique et une vitesse increased caniques, to realize and assemble a smaller engine. A simpler and more practical solution to this problem is to produce trees with a higher ratio of the modulus to the specific weight, which gives a specific rigidity and speed.
critique plus élevées.higher criticism.
L'invention a pour objet un arbre composite mé- The subject of the invention is a composite composite tree
tallique qui est capable de résister aux contraintes de torsion et de flexion qui se produisent dans un arbre d' entraînement de petit diamètre, pour moteur à turbine a gaz. which is capable of withstanding the torsional and bending stresses that occur in a small diameter drive shaft for a gas turbine engine.
L'arbre composite, suivant l'invention, de mo-. The composite shaft, according to the invention, of mo-.
dule spécifique élevé, est caractérisé en ce qu'il com-- high specific dule, is characterized in that it com--
prend une gaine tubulaire en matière usinable, à haute-ré- takes a tubular sheath made of machinable material, with high
sistance à la torsion, dans laquelle est insérée axialement resistance to torsion, in which is inserted axially
une matrice métallique contenant des filaments, alignés a- a metal matrix containing filaments, aligned with
xialement, d'une matière-à module élevé. La feuille est complètement intégrée et liée à la surface intérieure de xially, of a high-modulus material. The sheet is completely integrated and bonded to the inner surface of
la gaine tubulaire.the tubular sheath.
Le procédé, suivant l'invention, pour la fabri- The process according to the invention for the manufacture
cation d'un tel arbre composite consiste à fabriquer une gaine-tubulaire extérieure, en matière usinable à haute résistance à la torsion, comportant un passage intérieur axial; fabriquer une matrice en bande métallique dans la- quelle sont noyés des filaments de matière a haut module disposés longitudinalement; rouler cette matrice sur un mandrin, les filaments à haut module étant orientés dans la direction axiale; insérer la matrice et le mandrin dans le passage axial, en contact étroit avec la surface cation of such a composite shaft is to manufacture an outer tubular sheath, machinable material with high torsion strength, having an axial inner passage; fabricating a matrix of metal strip in which filaments of high modulus material arranged longitudinally are embedded; rolling this matrix on a mandrel, the high modulus filaments being oriented in the axial direction; insert the die and mandrel into the axial passage, in close contact with the surface
intérieure de la gaine tubulaire; et soumettre cet ensem- inside the tubular sheath; and submit this set
ble à une température et à une pression suffisantes pour obtenir la consolidation et la liaison par diffusion de la bande métallique, renforcée par les filaments, dans la ble at a sufficient temperature and pressure to achieve consolidation and diffusion bonding of the filament-reinforced
gaine tubulaire extérieure.outer tubular sheath.
Dans une forme d'exécution préférée, mais non In a preferred embodiment, but not
limitative, on fabrique d'abord un arbre tubulaire exté- In the first place, an outer tubular shaft is
rieur en acier. Puis des filaments de bore sont soigneu- steel. Then boron filaments are carefully
sement disposés entre deux films minces d'aluminium pour former une feuille d'aluminium contenant intérieurement placed between two thin aluminum foils to form an aluminum foil containing internally
des filaments de bore orientés longitudinalement. La feuil- longitudinally oriented boron filaments. The sheet
le bore-aluminium est roulée sur un mandrin en acier doux et insérée dans l'arbre tubulaire en acier, les filaments the boron-aluminum is rolled on a mild steel mandrel and inserted into the tubular steel shaft, the filaments
étant alignés axialement. L'ensemble est placé dans un au- being aligned axially. The whole is placed in a
toclave qui est d'abord porté à une pression de 0,5 à 0,7 kg/cm 2, chauffé à 515 C puis soumis à une pression plus élevée, de 14 kg/cm2, pendant 30 minutes.Ce procédé permet d'obtenir un arbre composite parfaitement consolidé comprenant une enveloppe extérieure en acier et un manchon intérieur en aluminium renforcé par des filaments de bore axialement alignés de façon à améliorer la rigidité à la flexion. L'invention sera mieux comprise à la lumière de toclave which is first brought to a pressure of 0.5 to 0.7 kg / cm 2, heated to 515 C and then subjected to a higher pressure of 14 kg / cm 2, for 30 minutes.Ce method allows to obtain a perfectly consolidated composite shaft comprising a steel outer shell and an inner sleeve of aluminum reinforced with boron filaments axially aligned so as to improve the bending rigidity. The invention will be better understood in the light of
la description de sa forme de réalisation, non limitative, the description of its nonlimiting embodiment,
représentée sur les dessins annexés. shown in the accompanying drawings.
Fig. 1 est une vue en perspective d'une extrêmi- Fig. 1 is a perspective view of an extreme
té d'un arbre conforme à l'invention, et a tree according to the invention, and
Fig. 2 est une coupe suivant un plan longitudi- Fig. 2 is a section along a longitudinal plane
nal passant par l'axe de l'arbre.passing through the axis of the tree.
Un arbre terminé 1, fabriqué conformément à la présente invention, est représenté sur les figures 1 et 20 Il comprend une enveloppe tubulaire extérieure 2 en acier durci présentant des canelures traitées 6, à laquelle est A finished shaft 1, made in accordance with the present invention, is shown in FIGS. 1 and 20. It comprises an outer tubular casing 2 of hardened steel having treated ribs 6, to which is
liée, sur sa périphérie intérieure, une couche 3 à haut - linked, on its inner periphery, a high layer 3 -
module spécifique. La couche 3, comme on le voit, sur la specific module. Layer 3, as we see, on the
figure 2, est constituée d'une matrice en aluminium, com- FIG. 2, consists of an aluminum matrix,
plètement consolidée, dans laquelle sont noyés des fila- consolidated, in which drowned
ments multiples 4 de bore, sensiblement alignés avec l'axe 5. La couche 3 est formée d'une matrice en ruban dl aluminium de 0,18 mm d'épaisseur à l'intérieur de laquelle sont interposés des filaments de bore de 0,16 mm. On peut également utiliser un ruban de titane mais, dans ce cas, il faut utiliser des filaments de bore revêtus de carbure 4 layers of boron, substantially aligned with the axis 5. The layer 3 is formed of an aluminum ribbon matrix 0.18 mm thick inside which are interposed 0 boron filaments, 16 mm. It is also possible to use a titanium ribbon but, in this case, it is necessary to use carbide-coated boron filaments.
de silicium ou de carbure de bore pour éviter l'interac- silicon or boron carbide to avoid interac-
tion entre le titane et le bore.between titanium and boron.
La couche 3 est roulée sur un mandrin en acier The layer 3 is rolled on a steel mandrel
doux et elle est insérée dans l'arbre tubulaire 2 en a- soft and it is inserted into the tubular shaft 2 in
cier. Cet ensemble est ensuite placé dans un autoclave, cer. This set is then placed in an autoclave,
dans lequel on porte ensuite la pression jusqu'à une va- in which the pressure is then
leur intermédiaire de 5 à 7 kg/cm2. On élève alors la tem- their intermediate of 5 to 7 kg / cm2. We then raise the temperature
pérature à 515 C, ce qui augmente la ductilité de la cou- at 515 C, which increases the ductility of the
che 3 et de son mandrin et facilite les phases initiales de la liaison. L'opération suivante consiste à porter la pression à 14 kg/cm et à maintenir cette valeur pendant une demi-heure environ, pour permettre la consolidation complète. Le mandrin est ensuite éliminé par un procédé che 3 and its mandrel and facilitates the initial phases of the link. The next step is to increase the pressure to 14 kg / cm and maintain this value for about half an hour to allow complete consolidation. The mandrel is then removed by a process
d'enlèvement chimique.chemical removal.
L'arbre de turbine 2 peut être construit en acier ou en titane, pour obtenir la résistance à la torsion de l'arbre composite. De façon caractéristique, l'arbre 1 peut comprendre une gaine extérieure en acier ou titane The turbine shaft 2 can be constructed of steel or titanium, to obtain the torsional strength of the composite shaft. Typically, the shaft 1 may comprise an outer sheath of steel or titanium
ayant un diamètre extérieur de 25,4 mm et un diamètre in- having an outer diameter of 25.4 mm and a diameter of
térieur de 15,9 mm, avec une couche 3 bore-aluminium de 1,8 mm d'épaisseur liée à la surface intérieure de la gaine 15.9 mm thick, with a 1.8 mm thick boron-aluminum layer 3 bonded to the inner surface of the sheath
en acier.in steel.
On obtient de cette façon un arbre composite ayant un module spécifique élevé qui permet d'atteindre une In this way, a composite tree with a high specific modulus is obtained which makes it possible to achieve a
vitesse critique plus grande. Puisque la surf-ace extérieu- higher critical speed. Since external surf-ace
re est en acier, elle peut être usinée ou soudée, suivant re is steel, it can be machined or welded, following
les besoins.needs.
Pour éviter l'emploi d'un autoclave, l'ensemble de l'arbre et du mandrin peut être obturé de façon étanche et mis sous vide. On peut ensuite exercer une pression par un passage axial interne à l'intérieur du mandrin. Par To avoid the use of an autoclave, the entire shaft and mandrel can be sealed and evacuated. Pressure can then be exerted by an internal axial passage inside the mandrel. By
mise sous pression à haute température, on obtient la con- put under pressure at high temperature, we obtain the
solidation et la liaison par diffusion du ruban de matrice solidification and diffusion bonding of the matrix ribbon
lui-même, ainsi que du ruban à l'arbre. himself, as well as ribbon to the tree.
Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. It is understood that modifications of detail may be made in the form and construction of the device according to the invention, without departing from the scope thereof.
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