BR112013029282B1

BR112013029282B1 - método de fabricação de uma lâmina de turbomáquina de material compósito e lâmina de turbomáquina de material compósito

Info

Publication number: BR112013029282B1
Application number: BR112013029282-2A
Authority: BR
Inventors: Julien Mateo; Clément Roussille; David Marsal; Gilles Ansorena; Ivan Herraiz
Original assignee: Herakles; Snecma
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2020-06-30
Also published as: RU2013153895A; CN103518039A; US20140072443A1; FR2975037B1; US9528378B2; RU2586423C2; CA2835538A1; FR2975037A1; CN103518039B; BR112013029282A2; EP2707578A1; EP2707578B1; JP6067683B2; CA2835538C; WO2012156625A1; JP2014516129A

Abstract

MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UMA LÂMINA DE TURBO MÁQUINA DE MATERIAL COMPÓSITO E LÂMINA DE TURBOMÁQUINA DE MATERIAL COMPÓSITO A invenção se refere a uma lâmina de turbo máquina (100) de material compósito que compreende um reforço de fibra obtido pela tecelagem multicamada de fios e densificada por uma matriz. A lâmina tem a primeira porção que constitui um aerofólio (120) formando uma única peça com pelo menos a segunda porção constituindo a raiz de uma lâmina (130). As porções de reforço da fibra correspondentes a primeira e a segunda porção da lâmina (100) são mutuamente intercaladas, pelo menos em parte, com os fios da segunda porção de reforço da fibra penetrando na primeira porção de reforço da fibra.

Description

MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UMA LÂMINA DE TURBOMÁQUINA DE MATERIAL COMPÓSITO E LÂMINA DE TURBOMÁQUINA DE MATERIAL COMPÓSITO

Fundamentos da invenção

[001] A invenção se refere a lâminas de turbomáquina de material compósito que compreende um reforço de fibra densificada com uma matriz.

[002] O campo proposto consiste em lâminas de turbina a gás para aeronaves ou turbinas industriais.

[003] Já existem propostas referentes à fabricação de lâminas de turbomáquina elaboradas de material compósito. Pode-se fazer referência, em particular, ao pedido de patente WO 2010/061140 depositado em conjunto pela Snecma e Snecma Propulsion Solide. O pedido descreve a fabricação de uma lâmina de turbomáquina elaborada de material compósito que compreende um reforço de fibra densificada por uma matriz. Mais precisamente, o método apresenta como característica uma fibra pura elaborada pela tecelagem multicamada que compreende duas texturas que se entrecruzam formando, após sua formatação, a pré-forma da fibra em uma única peça que tem a primeira porção que forma um aerofólio e a raiz da lâmina e, pelo menos, a segunda porção que forma a pré-forma da plataforma interna ou plataforma externa da lâmina. Após a pré-forma ter sido densificada, é possível obter uma lâmina de material compósito que tem reforço de fibra constituído pela pré-forma e densificada pela matriz, formando uma única peça que tem uma plataforma interna e/ou externa nela incorporada.

[004] Nas circunstâncias acima, a pré-forma da raiz da lâmina é elaborada utilizando uma inserção para formar uma região em forma de bulbo na porção da lâmina correspondente a sua raiz.

[005] Entretanto, a técnica de formação da raiz da lâmina toma sua fabricação industrial mais complexa e aumenta seus custos por levar a perdas grandes de materiais e seu manuseio ser dificultoso, além de diminuir o ritmo de produção.

Objetivo e resumo da invenção

[006] A invenção propõe lâminas de turbomáquina elaboradas de material compósito, em particular, mas não necessariamente, de material compósito termoestrutural, como um material do compósito de matriz cerâmica (CMC), para as turbinas ou compressores de motores de turbina cujas lâminas são de fabricação relativamente simples e apresentam ótima resistência mecânica.

[007] Para atingir a finalidade supracitada, a invenção propõe um método de fabricação de uma lâmina de turbomáquina elaborada de um material compósito que compreende reforço de fibra densificada por uma matriz, o método compreende o seguinte:

- elaboração de uma fibra pura pela fiação multicamada de uma única peça que compreende, na direção longitudinal da fibra pura correspondente à direção longitudinal da lâmina a ser fabricada, o seguinte: a primeira série de uma pluralidade de camadas de fios que são interligadas para formar a primeira porção da fibra pura correspondente à pré-forma de um aerofólio, e a segunda série de uma ou mais camadas de fios que são interligadas, pelo menos localmente, para formar pelo menos a segunda porção da fibra pura correspondente à pré-forma da raiz da lâmina; os fios da primeira série das camadas de fios não são interligados aos fios da segunda série das camadas de fios, a primeira série das camadas de fios tem os fios da segunda série das camadas de fios transpassadas na segunda porção da fibra pura;
- formatação da fibra pura para se obter a pré-forma da fibra em uma única peça que tem a primeira porção formando a pré-forma de um aerofólio e pelo menos a segunda porção formando a pré-forma da raiz da lâmina; e
- densificação da pré-forma com uma matriz para se obter uma lâmina de material compósito que tem um reforço de fibra constituído pela pré-forma e densificado pela matriz, formando uma única peça incorporando a raiz da lâmina.

[008] Comparado aos métodos do estado da técnica, a invenção propõe a elaboração da raiz de uma lâmina, que é incorporada na estrutura do aerofólio da lâmina, ao entrecruzar duas séries de camadas de fios na fibra pura de sua porção a ser formada na raiz da lâmina. É possível criar uma zona mais espessa na fibra pura e ter uma reserva de material que é suficiente para formar a pré-forma da raiz da lâmina, eliminando o uso de uma inserção, como no estado da técnica.

[009] Além disso, os fios da porção do reforço de fibra na raiz da lâmina, que é a porção da lâmina submetida a forças mecânicas maiores, atuam principalmente pelas porções laterais da raiz que se projeta nas duas laterais da lâmina e atua para reter a raiz da lâmina em seu alojamento contra as forças centrífugas, entrecruzando os fios da outra porção do reforço de fibra que constitui o aerofólio da lâmina. Com as texturas entrecruzadas na forma acima, obtém-se uma ótima resistência mecânica no ponto em que a lâmina é submetida a forças mecânicas maiores.

[0010] Distanciadas do entrecruzamento, a disposição das zonas de não entrecruzamento entre a primeira e segunda série das camadas de fios faz com que a pré-forma da fibra seja moldada sem fios cortados e entrecruzados, em que o corte resulta na redução da resistência mecânica do reforço de fibra e da lâmina fabricada.

[0011] De acordo com uma característica do método, a fibra pura é tecida com a segunda série contínua das camadas de fios, e pela formatação da fibra pura que compreender porções eliminadas da segunda série das camadas de fios externas à segunda porção da fibra pura ao serem cortadas.

[0012] De acordo com outra característica do método, ele inclui a usinagem da segunda porção da forma da raiz da lâmina a ser elaborada, a usinagem é executada após a densificação da pré-forma. Em uma implementação variante do método, a pré-forma é densificada em duas etapas sucessivas. Nas referidas circunstâncias, a primeira etapa de usinagem pode ser executada após a primeira etapa de densificação e a usinagem pode ser concluída pela segunda etapa de usinagem executada após a segunda etapa de densificação.

[0013] De acordo com mais uma característica do método da invenção, a fibra pura também inclui pelo menos a terceira porção que forma alguns ou todos os seguintes elementos:

- uma plataforma interna com ou sem consolas e com ou sem uma borda anti-inclinante; e
- uma plataforma externa com ou sem consolas na plataforma externa e com ou sem limpadores na plataforma externa.

[0014] A terceira porção pode ser formada pela segunda série de uma pluralidade de camadas de fios, a primeira série das camadas de fios tem fios da segunda série das camadas de fios que retranspassam a terceira porção da fibra pura.

[0015] De acordo com uma característica do presente método, o número das camadas de fios na segunda série das camadas de fios é maior na segunda porção da fibra pura do que na terceira porção.

[0016] De acordo com outra característica do presente método, o peso dos fios na segunda série das camadas de fios é maior na segunda porção da fibra pura do que na terceira porção.

[0017] Em uma variante, a terceira porção corresponde à textura da fibra na primeira porção da fibra pura.

[0018] A invenção também propõe uma lâmina de turbomáquina elaborada de material compósito que compreende reforço de fibra obtido pela tecelagem multicamada de fios e densificada por uma matriz, a lâmina compreende a primeira porção que constitui um aerofólio formado como uma única peça com, pelo menos, a segunda porção constituindo a raiz da lâmina; as porções do reforço de fibra correspondentes a primeira e segunda porções da lâmina são mutuamente intercaladas, pelo menos em parte, com os fios da primeira porção do reforço de fibra que penetram na segunda porção do reforço de fibra.

[0019] De acordo com um aspecto particular da lâmina, ela também compreende pelo menos a terceira porção que forma alguns ou todos os elementos abaixo:

[0020] De acordo com uma característica da lâmina, as porções do reforço de fibra correspondentes a primeira e terceira porções da lâmina são mutuamente intercaladas, pelo menos em parte, com os fios da primeira porção do reforço de fibra penetrando na segunda porção do reforço de fibra.

[0021] A lâmina pode ser elaborada de um material do compósito de matriz cerâmica.

[0022] A invenção também propõe um rotor de compressor ou disco instalado em uma pluralidade de lâminas, como definido acima. Ela também propõe um compressor instalado com um rotor e um turbomáquina que inclui um compressor.

Breve descrição dos desenhos

[0023] A invenção é mais bem compreendida a partir da descrição fornecida abaixo como indicação não limitada e com referência aos seguintes desenhos em anexo:

- a Figura 1 é uma vista perspectiva da lâmina da roda do rotor em uma modalidade da invenção;
- a Figura 2 é uma vista altamente diagramática da disposição das duas séries das camadas de fios na fibra pura em tecido multicamada, para elaboração da pré-forma da fibra da lâmina do tipo mostrado na Figura 1;
- as Figuras 3 a 5 mostram etapas sucessivas da elaboração da pré-forma da fibra da lâmina, como mostrado na Figura 1, a partir da fibra pura na Figura 2;
- a Figura 6A é uma vista da seção em teia fragmentária em uma porção da fibra pura na Figura 2 correspondente à localização da junção entre o aerofólio e a raiz da lâmina;
- a Figura 6B é uma vista da seção em trama fragmentária na porção da fibra pura na Figura 2 correspondente à localização da junção entre o aerofólio e a raiz da lâmina;
- a Figura 7A é uma vista da seção em teia fragmentária na porção da fibra pura na Figura 2 correspondente à localização da junção entre o aerofólio e a plataforma externa da lâmina;
- a Figura 7B é uma vista da seção em trama fragmentária na porção da fibra pura na Figura 2 correspondente à localização da junção entre o aerofólio e a plataforma externa da lâmina;
- a Figura 8A é uma vista da seção em trama que mostra um exemplo da disposição do fio da trama em uma porção da fibra pura correspondente à porção da raiz da lâmina;
- as Figuras 8B a 8D são vistas da seção em trama que mostram planos em teia em um exemplo de tecelagem multicamada na porção de fibra pura da Figura 8A; e
- as Figuras 9 e 10 são vistas altamente diagramáticas de modalidades variantes da raiz da lâmina.

Descrição detalha das modalidades

[0024] A invenção se aplica a vários tipos de lâmina de turbomáquina que, de acordo com a invenção, compreende pelo menos uma raiz incorporada na estrutura do aerofólio. As lâminas em questão são, em particular, lâminas para compressor e turbina de várias bobinas de turbina a gás e elas também podem incorporar outros elementos, como, em particular, uma plataforma interna guarnecida em uma borda anti-inclinante e/ou consola, ou uma plataforma externa guarnecida em consolas e/ou limpadores. Entretanto, a invenção também se aplica a lâminas incorporadas na raiz em que um ou mais dos referidos elementos são acrescentados durante a elaboração da pré-forma da fibra da lâmina, isto é, antes da densificação ou após ela.

[0025] A Figura 1 mostra a lâmina 100 da roda de um rotor de turbina de baixa pressão (LP) que compreende um aerofólio 120 e uma raiz 130 formada por uma porção de maior espessura, isto é, que tem uma seção em forma de bulbo que se estende por uma espiga 132. A lâmina 120 se estende na direção longitudinal entre sua raiz 130 e sua ponta 121 e na seção transversal ela apresenta um perfil curvo de espessura variada definindo duas faces 122 e 123 que correspondem, respectivamente, à lateral da sucção e à lateral da pressão da lâmina 120, e cada um interconecta a borda dianteira 120a e a borda traseira 120b da lâmina.

[0026] A lâmina 120 é montada no rotor da turbina (não mostrado) com o engate do rotor 130 no alojamento da forma complementar formada na periferia do rotor.

[0027] No exemplo supradescrito, o aerofólio 120 também tem uma plataforma interna 140 e uma plataforma externa 160.

[0028] Mais precisamente, em sua extremidade radialmente interna, o aerofólio 120 é conectado na plataforma interna 140 que tem sua face externa (ou superior) 142 definindo a passagem de fluxo da corrente de gás f, radialmente no interior. Em suas porções extremas que são a montante e a jusante (na direção de fluxo da corrente de gás f), a plataforma interna 140 é concluída pelas consolas de cobertura 144 e 146.

[0029] No exemplo mostrado, a face 142 da plataforma é substancialmente perpendicular à direção longitudinal da lâmina. Dependendo do perfil visado na superfície interna da passagem de fluxo da corrente de gás, a face 142 da plataforma pode ser igualmente inclinada, para formar no todo um ângulo não-zero em relação à direção normal e longitudinal da lâmina, e/ou a face 142 pode ter um perfil que é geralmente não retilíneo, isto é, encurvado.

[0030] O aerofólio 120 também é conectado em sua extremidade radialmente externa até a plataforma externa 160 que define em sua face interna (base) 161a passagem de fluxo da corrente de gás f, radialmente no exterior. Em sua face externa (superior) 162, a plataforma externa 160 define uma depressão ou banheira 163. Ao longo das bordas a montante e a jusante da banheira 163, a plataforma externa 160 sustenta limpadores 164 e 165 que têm um perfil na forma dentada com extremidades adequadas a penetrarem na camada do material abrasivo do anel da turbina (não mostrado) com a finalidade de reduzir o espaço entre a ponta da lâmina e o anel da turbina. No exemplo mostrado, a face 161 da plataforma externa 60 apresenta um perfil encurvado formando no todo um ângulo não-zero em relação à direção normal e longitudinal da lâmina. Em uma variante, dependendo do perfil visado na superfície externa da passagem de fluxo da corrente de gás, a face 161 pode ter um perfil que é geralmente retilíneo e/ou que se estende substancial e perpendicularmente até a direção longitudinal da lâmina.

[0031] A Figura 2 é uma vista altamente diagramática da fibra pura 200 a partir da qual a pré-forma da fibra da lâmina pode ser formatada, para que, após ser densificada com uma matriz e possivelmente maquinada, a lâmina de material compósito seja obtida apresentando uma raiz, uma plataforma interna e uma plataforma externa totalmente nela incorporada, como a lâmina 100 mostrada na Figura 1.

[0032] A fibra pura 200 compreende duas tiras de fibra 202 e 204 que são obtidas pela tecelagem tridimensional ou tecelagem multicamada e somente os envelopes geométricos das duas porções acima que são mostrados na Figura 2. Para uma maior clareza na Figura 2, as tiras 202 e 204 são mostradas de forma espaçada entre si. Entretanto, na verdade, a tira 204 é tecida o mais próximo possível da tira 202.

[0033] A tira da fibra 202 tem a primeira porção 202c que, após a formatação, destina-se a constituir a porção da pré-forma da fibra da lâmina correspondente à pré-forma do aerofólio, a referida porção apresenta uma face 202a destinada a formar a pressão dentro do aerofólio e uma face 202b destinada a formar a lateral de sucção do aerofólio. A tira 202 também ter a terceira porção 202e de maior espessura destinada a constituir a porção da pré-forma da raiz da lâmina que é conectada na primeira porção 202c pela segunda porção 202d da espessura encurvada destinada a constituir a pré- forma da espiga da lâmina.

[0034] Após ser formatada, a tira da fibra 204 se destina a constituir as porções da pré-forma da fibra da lâmina, que correspondem às pré- formas da raiz, na plataforma interna e na plataforma externa (incluindo suas placas na consola) da lâmina.

[0035] As duas tiras 202 e 204 se estendem geralmente na direção X correspondente à direção longitudinal da lâmina a ser elaborada. Em sua porção mais espessa 202e destinada a formar a pré-forma da raiz da lâmina, a tira da fibra 202 apresenta uma espessura e21, isto é, variando entre 5 (mm) e 6 mm milímetros, e em sua porção 202c destinada a formar a pré- forma do aerofólio ela apresenta uma espessura e22 que é inferior à espessura e21, isto é, em tomo de 3 mm, em média. A espessura e22 pode variar ao longo do comprimento da porção destinada a formar a pré-forma do aerofólio como uma função da espessura do perfil do aerofólio da lâmina a ser elaborada.

[0036] Em sua porção destinada a formar a porção da pré-forma da raiz da lâmina correspondente à porção de conexão 230c, como descrito abaixo, a tira da fibra 204 apresenta uma espessura e41, isto é, variando entre 4 mm e 5 mm, e em suas outras porções correspondentes, em particular, às porções de conexão 240c e 250c descritas abaixo, ela apresenta uma espessura e42 que é inferior à espessura e41, isto é, em tomo de 3 mm.

[0037] A tira da fibra 202 apresenta uma largura ℓ que é selecionada como uma função do comprimento desenvolvido do perfil (isto é, o comprimento quando plano) do aerofólio da lâmina a ser elaborada, ao mesmo tempo que a tira da fibra 204 tem uma largura L superior a ℓ que é seleciona ℓ da como uma função dos comprimentos desenvolvidos da plataforma interna e da plataforma externa da lâmina a ser elaborada.

[0038] A tira 204 tem a primeira porção 204a e a terceira porção 204c que se estendem ao longo e à lateral da segunda face 202b (lateral de sucção) da tira 202, e a segunda porção 204b e quarta porção 204d que se estendem ao longo e à lateral da primeira face 202a (lateral da pressão) da tira 202.

[0039] As porções 204a e 204b são conectadas juntas pela porção de conexão 230c que se estende transversalmente pela tira 202 no local correspondente àquele da raiz da lâmina a ser elaborada. A porção de conexão 230c passa pela tira substancial e perpendicularmente à direção longitudinal da fibra pura.

[0040] As porções 204b e 204c são conectadas juntas pela porção de conexão 240c que se estende transversalmente pela tira 202 no local correspondente àquele da plataforma interna da lâmina a ser elaborada. A porção de conexão 240c passa pelas tiras substancial e perpendicularmente à direção longitudinal da fibra pura.

[0041] As porções 204c e 204d são conectadas juntas pela porção de conexão 250c que se estende transversalmente pela tira 202 com perfil ondulado no local correspondente àquele da plataforma externa da lâmina a ser elaborada.

[0042] Como mencionado acima, dependendo das formas destinadas à raiz, a plataforma interna, e a plataforma externa da lâmina, uma ou mais porções de conexão 230c, 240c, 250c podem perpassar a tira 202 perpendicularmente no ângulo não-zero em relação à direção normal e longitudinal X da fibra e/ou apresentar um perfil que é retilíneo ou curvilíneo.

[0043] Como descrito em maiores detalhes abaixo, as tiras 202 e 204 são tecidas simultaneamente pela tecelagem multicamada, sem se entrecruzarem entre a tira 202 e as porções 204a, 204b, 204c e 204d da tira 204, com uma pluralidade de lâminas 200 que são tecidas continuamente em sucessão na direção X.

[0044] As espessuras extras e21 e e41, respectivamente, nas tiras 202 e 204 podem ser obtidas, em particular, com o uso de fios de maior peso nas referidas zonas e/ou o aumento do número das camadas de fios de teia e trama nelas.

[0045] As Figuras 3 a 5 são altamente diagramáticas e mostram o modo pelo qual a pré-forma da fibra de formato aproximado àquele da lâmina a ser elaborada pode ser obtida a partir da fibra pura 200.

[0046] A tira da fibra 202 é cortada no meio em uma extremidade da sua porção mais espessa 202e abaixo da porção de conexão 230c e na outra extremidade um pouco além da porção de conexão 250c, para que a tira 220 com o comprimento correspondente à dimensão longitudinal da lâmina a ser elaborada seja fabricada com uma porção alargada 230 e formada por uma porção mais espessa 202e situada no local correspondente à posição da raiz da lâmina a ser fabricada. A tira 220 apresenta uma face 220a que forma a lateral da pressão do aerofólio e a face 220b que forma a lateral de sucção do aerofólio.

[0047] Além disso, os cortes são feitos nas extremidades das porções 204a e 204d da tira 204 e nas porções 204b e 204c dela, para deixar segmentos 230a e 230b nas duas laterais da porção de conexão 230c, segmentos 240a e 240b nas duas laterais da porção de conexão 240c e segmentos 250a e 250b nas duas laterais da porção de conexão 250c, como mostrado na Figura 3. Os comprimentos dos segmentos 230a, 230b, 240a, 240b, 250a e 250b são determinados como uma função da largura da raiz, da plataforma interna e da plataforma externa da lâmina a ser fabricada.

[0048] Por não existir entrecruzamento entre a tira 202 da pré-forma da fibra e uma das porções 204a , 204b, 204c e 204d, os segmentos 230a, 230b, 240a, 240b, 250a e 250b podem ser dobrados perpendicularmente à tira 220 sem cortar os fios, para formar as placas 230, 240 e 250, como mostrado na Figura 4.

[0049] A pré-forma da fibra 300 na lâmina a ser fabricada é obtida pela moldagem e deformação da tira 220, para reproduzir o perfil encurvado do aerofólio da lâmina e pela deformação das placas 240 e 250, para reproduzir as formas que são similares, respectivamente, à forma da plataforma interna e à forma da plataforma externa, como mostrado na Figura 5. Após a densificação, a pré-forma 300 é maquinada para conferir a placa 230 uma forma similar àquela da raiz da lâmina a ser elaborada. Isto produz uma pré-forma 300 com a porção da pré-forma do aerofólio 320, a porção da pré-forma da raiz 330 (incluindo a porção da pré-forma da espiga) e as porções da pré-forma 340 e 350 na plataforma interna e na plataforma externa.

[0050] A fibra pura 200 é tecida com o uso dos fios em teia que se estendem na direção longitudinal X da fibra, observando-se que também é possível executar a tecelagem com fios em trama que se estendem na referida direção.

[0051] Em uma modalidade, os fios utilizados podem ser de carboneto de silício (SiC) e propostos com o nome de “Nicalon” pela distribuidora japonesa Nippon Carbon, tendo um peso (expresso como um número de filamentos) de 0,5K (isto é, 500 filamentos).

[0052] Naturalmente, dependendo do peso dos fios disponíveis, podem ser adotadas diferentes combinações de números das camadas de fios e variações de contagem dos fios e do peso em relação ao perfil a ser obtido.

[0053] Por exemplo, a tecelagem da fibra pura 200 pode ser uma tecelagem multicamada e executada com o uso de um tecido do tipo cetim ou multicetim. É também possível utilizar outros tipos de tecelagem multicamada, isto é, com tecido multiplano ou “interlock”. O termo “interlock” é utilizado, neste caso, para expressar um tecido em que cada camada dos fios em trama interliga uma pluralidade de camadas de fios de teia, com todos os fios em uma determinada coluna de trama tendo o mesmo movimento no plano do tecido.

[0054] São descritas várias formas de executar a tecelagem multicamada, em particular no documento WO 2006/136755.

[0055] A Figura 6A é uma vista da seção em teia pela porção da tira 202 em que ela é cruzada pela porção de conexão 230c da tira 204 da fibra pura na Figura 2, os fios em teia na porção de conexão são mostrados na seção. Cada camada de fio em teia C204 da tira 204 se estende na porção de conexão 230c da conexão perpendicular à direção da trama t202 da tira 202. Durante a tecelagem, a tira 204 é passada de um lado ao outro da tira 202, fazendo com que todos os fios em teia e trama da tira 204 se cruzem por cada fio de teia da tira 204 individualmente.

[0056] A Figura 6B é uma vista da seção em trama dos fios em trama t202 e t204, respectivamente, das tiras 202 e 204 em que a tira 202 é cruzada pela porção de conexão 230c da tira 204 da fibra pura na Figura 2. No exemplo mostrado, como mencionado acima, a porção de conexão 230c se estende perpendicularmente à direção das camadas dos fios em teia C202 da tira 202.

[0057] As vistas da seção em teia e trama em que a tira 202 é cruzada pela porção de conexão 240c da tira 204 na fibra pura da Figura 2 são similares àquelas mostradas nas Figuras 6A e 6B, porém com um número menor de camadas de teia C202 e C204, respectivamente, nas tiras 202 e 204, em razão das diferenças na espessura das tiras 202 e 204 entre a porção de conexão 230c e a porção de conexão 240c.

[0058] A Figura 7A é uma vista da seção em teia em que a tira 202 é cruzada pela porção de conexão 250c da tira 204 na fibra pura da Figura 2. Na referida porção, as camadas dos fios de teia C204 da tira 204 penetram entre os fios em trama t202 da tira 202 seguidos do perfil encurvado, como mostrado na Figura 7A. Naturalmente, dependendo da forma visada na plataforma externa, as camadas dos fios em teia C204 da tira 204 podem entrar e sair da tira 202 com perfis de outras formas, isto é, que são retilíneas.

[0059] A Figura 7B é uma vista da seção em trama dos fios em trama t202 e t204, respectivamente, das tiras 202 e 204 em que a tira 202 é cruzada pela porção de conexão 250c da tira 204. No exemplo mostrado, e como mencionado acima, a porção de conexão 250c se estende perpendicularmente à direção das camadas dos fios em teia C202 da tira 202.

[0060] A porção mais espessa 202e da tira da fibra 202 e da espessura extra presente na porção de conexão 230c da tira 204 pode ser obtida com o uso dos fios em trama de maior espessura e de camadas extras de fios em trama, como mostrado no exemplo da Figura 8A na porção mais espessa 202e.

[0061] Na Figura 8A, o número das camadas dos fios em trama, em seu exemplo, é em tomo de quatro a sete entre uma porção 202₁ correspondente à porção 202d da espessura diminuída destinada a constituir a pré-forma da espiga da lâmina e uma porção 202₃ correspondente à porção mais espessa 202e da tira 202 que se destina a formar a porção da pré-forma da raiz da lâmina.

[0062] Além do supracitado, são utilizados fios em trama t202, t’202 e t”202 de diferentes pesos, os fios t202 são fios SiC da Nicalon com peso 0,5K (500 filamentos), os fios t’202 são obtidos com a união de dois fios 0,5K, e os fios t”202 são obtidos com a união de três fios 0,5K.

[0063] A tecelagem na porção 202₃ da fibra pura exige um número maior de fios em teia do que na porção 202₁. Isto é vantajosamente obtido na transição entre as porções 202₁ e 202₃ com a redução do número dos planos em teia e a elaboração de cada plano em teia na porção 202₃ com a união dos fios em teia de dois planos em teia na porção 202₁. As Figuras 8B e 8C mostram dois planos em teia adjacentes na porção 202₁, e a Figura 8D mostra um único plano em teia obtido na porção 202₃ com a união dos planos em teia das Figuras 8B e 8C. Figuras 8B, 8C e 8D não mostram os diferentes pesos dos fios em teia ou dos fios em trama (como mostrado na Figura 8A) para fins de simplificação. Entre as Figuras 8B e 8C em uma lateral e Figura 8D na outra, as linhas tracejadas mostram a forma pela qual os fios em teia das várias camadas nas Figuras 8B e 8C formam os fios em teia das camadas na Figura 8D.

[0064] Naturalmente, é possível adotar outras combinações dos números de camadas em teia e dos pesos de camadas em trama, para formar as espessuras extras presentes na porção 202e da tira da fibra 202 e na porção de conexão 230c da tira 204.

[0065] Segue abaixo a descrição das etapas sucessivas que podem ser executadas para formatar a pré-forma da fibra do elemento da plataforma externa ou da lâmina da invenção e a densificação da pré-forma.

[0066] Como descrito acima, a fibra pura que forma o reforço de fibra do elemento da plataforma externa ou da lâmina é tecida pela tecelagem multicamada ou pelas estruturas das fibras empilhadas. Nas lâminas de turbomáquina destinadas ao uso em temperaturas elevadas e, em particular, em um ambiente corrosivo (em particular, úmido), os fios utilizados na tecelagem são elaborados com fibras cerâmicas e, em particular, fibras elaboradas com carboneto de silício (SiC). Em temperaturas mais baixas, também é possível utilizar fibras de carbono.

[0067] A densificação da pré-forma da fibra que se destina a formar o reforço de fibra da parte a ser fabricada envolve o uso do material destinado a constituir a matriz, para preencher os poros da pré-forma, em todo ou parte do seu volume. A densificação pode ser executada de forma conhecida com o uso de uma técnica de líquido (CVL) ou técnica de gás da infiltração química a vapor (CVI), ou mesmo com o encadeamento dos referidos métodos.

[0068] A técnica de líquido consiste em impregnar a pré-forma em uma composição líquida que contém um precursor no material da matriz. O precursor é geralmente na forma de um polímero, como resina, podendo ser diluído em solvente. A pré-forma é colocada em um molde que pode ser fechado de forma estanque com uma cavidade apresentando a forma final na parte moldada. Em seguida, o molde é fechado e o líquido precursor da matriz (isto é, resina) é injetado na cavidade, para impregnar em toda a porção da fibra da pré-forma.

[0069] O precursor é transformado em uma matriz, isto é, ele é polimerizado, por tratamento térmico, geralmente com o aquecimento do molde após o solvente ter sido eliminado e após o polímero ter sido curado, a pré-forma é mantida continuamente no molde que tem a forma que corresponde àquela da parte a ser elaborada.

[0070] Na formação de uma matriz de carbono ou cerâmica, o tratamento térmico consiste em pirolizar o precursor, para transformar a matriz em uma matriz de carbono ou cerâmica, dependendo do precursor utilizado e das condições da pirólise. Por exemplo, os precursores líquidos da cerâmica, em particular de SiC, podem ser resinas dos seguintes tipos: policarbossilano (PCS); ou polititanocarbossilano (PTCS); ou polissilazanos (PSZ), em que os precursores líquidos de carbono podem ser resinas que têm um conteúdo de coque relativamente alto, como as resinas fenólicas. A operação dos diversos ciclos de impregnação do tratamento térmico pode ser executada de forma consecutiva, para alcançar o grau visado de densificação.

[0071] Em um aspecto da invenção, em particular quando é formada uma matriz orgânica, a pré-forma da fibra pode ser densificada pelo conhecido método da moldagem por transferência de resina (RTM). No método RTM, a pré-forma da fibra é colocada em um molde que tem a forma externa da parte a ser elaborada. A resina termoconsolidante é injetada no espaço dentro do molde que contém a pré-forma da fibra. O gradiente de pressão é geralmente estabelecido no espaço interno entre o local em que a resina é injetada e os orifícios de exaustão do espaço, para controlar e otimizar a impregnação da pré-forma com a resina.

[0072] Como se sabe, a pré-forma da fibra também pode ser densificada com o uso de uma técnica de gás pela infiltração química a vapor (CVI) da matriz. A pré-forma da fibra correspondente à estrutura a ser elaborada é colocada em um forno por onde entra o gás de reação. A pressão e a temperatura existentes no fomo e a composição do gás são selecionadas nos poros da pré-forma, para formar a matriz no núcleo do material ao ser depositado o material sólido em contato com as fibras, o material oriundo da decomposição de um ingrediente do gás ou da reação entre uma pluralidade de ingredientes, em contraste com as condições de pressão e temperatura que são adequadas aos métodos da deposição química a vapor (CVD) que levam à deposição somente na superfície do material.

[0073] A matriz de SiC pode ser formada com o uso de metiltriclorosilano (MTS) que produz SiC pela decomposição MTS, enquanto que a matriz de carbono pode ser obtida com gases de hidrocarbono, como metano e/ou propano que produzem carbono por craqueamento.

[0074] A densificação que combina as técnicas de líquido e gás também pode ser utilizada para facilitar as operações, limitar os custos e os ciclos de fabricação, ao mesmo tempo que apresentam características satisfatórias ao uso visado.

[0075] Em particular, a matriz pode ser obtida com o uso das resinas de epóxi, isto é, resina de epóxi de alto desempenho, ou de precursores líquidos das matrizes de carbono ou cerâmica.

[0076] No exemplo recém-descrito, a fibra pura é impregnada pela composição de consolidação, geralmente uma resina com a opção de ser diluída em um solvente. É possível utilizar uma resina precursora de carbono, isto é, resina fenólica ou furânica, ou resina precursora de cerâmica, isto é, de polissilazano ou poli-oxi-silozano, que é precursora de SiC.

[0077] Após a secagem que elimina o solvente da resina, é possível pré-curá-la. A pré-cura, ou cura inconclusa, atua para aumentar a rigidez e a resistência, ao mesmo tempo que preserva a capacidade de deformação que é necessária à elaboração da pré-forma de um elemento da plataforma externa ou lâmina.

[0078] A fibra pura, em particular aquela que forma a lâmina, é cortada na forma mostrada na Figura 3.

[0079] Em seguida, a fibra pura é formatada (como mostrado na Figura 5) e colocada em um molde, isto é, elaborada com grafite, para formatar a consola e as placas limpadoras da plataforma externa ao ser elaborado o elemento da plataforma externa e a porção da plataforma interna, a porção da raiz e a porção do aerofólio quando a lâmina é elaborada.

[0080] Após o processo supracitado, a resina é curada completamente e pirolizada. A cura e a pirólise podem ser executadas uma após a outra com o aumento gradativo da temperatura dentro do molde.

[0081] Após a pirólise, a pré-forma da fibra obtida é consolidada com o resíduo da pirólise. A quantidade da resina de consolidação é selecionada, para que o resíduo da pirólise ligue as fibras da pré-forma juntas o suficiente para serem manipuladas, ao mesmo tempo que conservam sua forma sem ferramentas auxiliares, observando-se que a quantidade da resina de consolidação é preferivelmente selecionada da forma mais reduzida possível.

[0082] A pré-forma consolidada é densificada com uma matriz. Na lâmina do turbomáquina a ser utilizada em temperatura elevada, e, em particular, em atmosfera corrosiva, a matriz é uma matriz cerâmica, isto é, elaborada com SiC. A densificação pode ser executada por CVI em cujo caso a formação da camada na segunda interfase e a densificação da matriz podem ocorrer uma após a outra no mesmo forno.

[0083] A densificação pode ser executada em duas etapas sucessivas e separadas pela etapa de usinagem do elemento da plataforma externa ou da lâmina nas dimensões visadas.

[0084] Deve-se observar que a pré-usinagem pode ser executada após a cura e antes da pirolização da resina.

[0085] Em uma implementação variante, a pré-forma pode ser consolidada pela densificação parcial, ao mesmo tempo que é mantida no formatador e a consolidação é executada com o depósito da cerâmica nas fibras por CVI.

[0086] O formatador é preferivelmente elaborado com grafite e apresenta orifícios que facilitam a passagem dos gases de reação levando à interfase e ao depósito da cerâmica por CVI.

[0087] Quando a consolidação se toma suficiente para que a pré- forma seja manipulada, ao mesmo tempo que sua forma é conservada sem a existência de ferramentas auxiliares, a pré-forma consolidada é extraída do formatador e a densificação com a matriz cerâmica é executada por CVI. A densificação pode ser executada em duas etapas sucessivas e separadas pela etapa de usinagem do elemento da plataforma externa ou da lâmina nas dimensões visadas.

[0088] Na descrição acima, o perfil do aerofólio de espessura variada é elaborado com o uso de fios de peso variado e/ou contagem de fios. Em uma variante, é possível elaborar a porção da fibra pura que corresponde à porção da pré-forma do aerofólio com um determinado número de camadas de fios que têm o mesmo peso e contagem de fios constante, com a variação na espessura do perfil que é obtida durante a operação de usinagem após a primeira etapa de densificação ou durante a operação de pré-usinagem na pré-forma da lâmina consolidada.

[0089] Dependendo das condições de uso visadas, é também possível que as fibras do reforço de fibra da lâmina sejam elaboradas com um material não cerâmico, isto é, carbono, e que a matriz seja de um material não cerâmico, isto é, carbono ou resina. A lâmina da invenção pode, em particular, ser elaborada com um material do compósito de matriz cerâmica (CMC), que é elaborado com um reforço de fibras cerâmicas ou de carbono densificadas por uma matriz elaborada com cerâmica, pelo menos em parte, como um material de carbono-carbono/carboneto de silício (C-C/SiC), carbono/carboneto de silício (C/SiC), carboneto de silício/carboneto de silício (SiC/SiC) ou um material do compósito de carbono-carbono (C-C) conhecidos com um material elaborado com um reforço de fibra de carbono densificada com uma matriz de carbono.

[0090] Naturalmente, a invenção também se aplica à fabricação de lâminas com um material de compósito de matriz orgânica (OMC), como, por exemplo, aquele obtido utilizando uma resina de epóxi de alta performance.

[0091] O formato final da raiz da lâmina é maquinado após a pré- forma ter sido densificada. Quando a densificação é executada em dois estágios, executa-se a usinagem inicial e grosseira da pré-forma da raiz da lâmina, ao mesmo tempo que a segunda usinagem mais refinada do formato final e das dimensões da raiz da lâmina a ser executada é realizada após o segundo estágio de densificação da pré-forma.

[0092] O formato da raiz da lâmina não se limita àquele do bulbo, como mostrado na Figura 1. Dependendo do formato do alojamento do rotor em que a raiz da lâmina deve ser engatada, e/ou da distribuição visada das forças exercidas na raiz da lâmina, a lâmina pode apresentar inúmeros outros formatos, como, em particular, retilíneo ou cruciforme, como a raiz 430 da Figura 9, ou substancialmente poligonal, como a raiz 530 da Figura 10.

[0093] Além disso, na lâmina descrita acima, a fibra pura corresponde à estrutura da fibra que é tecida como uma única peça que incorpora não só a primeira porção que forma o aerofólio da lâmina, como também a segunda porção que forma a raiz da lâmina, junto com a terceira e quarta porções, respectivamente, que formam a plataforma interna e a plataforma externa, cada uma das segunda, terceira e quarta porções são intercaladas, pelo menos em parte, com a primeira porção (pelo menos a porção da primeira porção que é cruzada pelos fios da segunda, terceira e quarta porções).

[0094] Entretanto, a lâmina não se limita a essa estrutura.

[0095] Concluindo, a lâmina, em geral, contempla qualquer tipo de lâmina que tem a primeira porção constituindo um aerofólio que forma uma única peça com, pelo menos, a segunda porção formando a raiz da lâmina, as porções do reforço de fibra correspondem a primeira e segunda porção da lâmina mutuamente intercalada, pelo menos em parte, com os fios da segunda porção do reforço de fibra que penetram na primeira porção do reforço de fibra, a lâmina também pode incluir, pelo menos, o seguinte:

- a terceira porção forma todos ou alguns dos seguintes elementos:
- uma plataforma interna com ou sem consolas e com ou sem uma borda anti-inclinante; e
- uma plataforma externa com ou sem consolas e com ou sem limpadores; e
- as porções do reforço de fibra correspondentes a primeira e terceira porções da lâmina são mutuamente intercaladas, pelo menos em parte, com os fios da terceira porção do reforço de fibra penetrando na primeira porção do reforço de fibra, como descrito nos pedidos de patente franceses n.oS 10/55160 e 10/55161;
- a terceira porção forma todos ou alguns dos seguintes elementos:
- uma plataforma interna com ou sem consolas e com ou sem uma borda anti-inclinante;
- uma plataforma externa com ou sem consolas e com ou sem limpadores; e
- a fibra pura correspondente à terceira porção separada da fibra pura correspondente à primeira porção que constitui o aerofólio da lâmina e fixa nele, isto é, costurada;
- o elemento da plataforma interna com ou sem consolas e com ou sem borda anti-inclinante, o elemento da plataforma é fabricado independentemente da primeira e segunda porções intercaladas de forma mútua e, subsequentemente, instalado no aerofólio da lâmina, como descrito no pedido de patente internacional WO 2010/116066; e
- o elemento da plataforma externa com ou sem consolas e com ou sem limpadores, o elemento da plataforma externa é fabricado independentemente da primeira e segunda porções intercaladas de forma mútua e, subsequentemente, instalado no aerofólio da lâmina, como descrito no pedido de patente internacional WO 2010/116066.

Claims

Método de fabricação de uma lâmina (100) de turbomáquina de material compósito que compreende um reforço de fibra densificada por uma matriz, caracterizado por compreender:
- - a produção de uma fibra pura (200) pela fiação multicamada de uma única peça que compreende, na direção longitudinal da fibra pura correspondente à direção longitudinal da lâmina a ser fabricada, o seguinte: a primeira série (202) de uma pluralidade de camadas de fios que são interligadas para formar a primeira porção (202c) da fibra pura correspondente à pré-forma de um aerofólio (320), e a segunda série (204) de uma ou mais camadas de fios que são interligadas, pelo menos localmente, para formar pelo menos a segunda porção (230c) da fibra pura (200) correspondente à pré-forma da raiz da lâmina (330); os fios da primeira série (202) das camadas de fios não são interligados aos fios da segunda série (204) das camadas de fios, a primeira série das camadas de fios tem os fios da segunda série das camadas de fios transpassadas na segunda porção (230c) da fibra pura (200);
- - a moldagem da fibra pura (200) para se obter a pré- forma da fibra em uma única peça (300) que tem a primeira porção formando a pré-forma de um aerofólio (320) e pelo menos a segunda porção formando a pré-forma da raiz da lâmina (330); e
- - a densificação da pré-forma (300) com uma matriz para se obter uma lâmina de material compósito (100) que tem um reforço de fibra constituído pela pré-forma e densificada pela matriz, formando uma única peça incorporando a raiz da lâmina (130).
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a fibra pura (200) ser tecida com uma segunda série contínua (204) de camadas de fios, e pela formatação da fibra pura compreender a eliminação de porções da segunda série (204) das camadas de fios externas à segunda porção (230c) da fibra pura ao serem cortadas.
Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por incluir a usinagem da segunda porção na forma da raiz da lâmina a ser elaborada.
Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por a fibra pura (200) incluir também, pelo menos, a terceira porção (240c; 250c) formando alguns ou todos os elementos a seguir:
- - uma plataforma interna com ou sem consolas e com ou sem uma borda anti-inclinante; e
- - uma plataforma externa com ou sem consolas na plataforma externa e com ou sem limpadores na plataforma externa; e pela formatação da fibra pura compreender a formatação da terceira porção (240c; 250d) da fibra pura (200), para se obter a pré-forma da fibra em uma única peça (300) que também tem a terceira porção, a lâmina (100) obtida após a densificação da pré-forma com uma matriz formando uma única peça que incorpora a raiz da lâmina (130) e que incorpora alguns ou todos os elementos selecionados dos elementos abaixo:
- - uma plataforma interna (140) com ou sem consolas e com ou sem uma borda anti-inclinante; e
- - uma plataforma externa (150) com ou sem consolas na plataforma externa e com ou sem limpadores na plataforma externa.
Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a terceira poção (240c; 250c) ser formada pela segunda série (204) de uma pluralidade de camadas de fios, a primeira série (202) das camadas de fios tem fios da segunda série das camadas de fios que transpassam a terceira porção (240c; 250c) da fibra pura (200).
Método de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado por a fibra pura (200) ser tecida com a segunda série contínua (204) das camadas de fios, e pela formatação da lâmina da fibra compreender porções eliminadas da segunda série (204) das camadas de fios externas à terceira porção (240c; 250c) da fibra pura (200) ao serem cortadas.
Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, caracterizado por o número das camadas de fios na segunda série (204) das camadas de fios ser superior na segunda porção (230c) da fibra pura do que na terceira porção (240c; 250c).
Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, caracterizado por o peso dos fios na segunda série (240) das camadas de fios ser superior na segunda porção (230c) da fibra pura do que na terceira porção (240c; 250c).
Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a terceira porção corresponder à textura da fibra instalada na primeira porção da fibra pura.
Lâmina (100) de turbomáquina de material compósito que compreende um reforço de fibra obtido por tecelagem de fios multicamada e densificada por uma matriz, caracterizada por compreender a primeira porção que constitui um aerofólio (120) formado como uma única peça com, pelo menos, uma segunda porção constituindo a raiz da lâmina (130); a primeira porção que constitui um aerofólio compreendendo uma primeira série de uma pluralidade de camadas de fios que são interligadas para formar uma primeira porção do reforço de fibra da lâmina, a segunda porção que constitui uma raiz da lâmina que compreende uma segunda série de uma ou mais camadas de fios que são interligadas pelo menos localmente para formar uma segunda porção do reforço de fibra da lâmina, os fios da primeira série de camadas de fios não sendo interligados com os fios da segunda série de camadas de fios, a primeira série de camadas de fios tendo os fios da segunda série de camadas de fios cruzando-se através da segunda porção do reforço de fibra da lâmina.
Lâmina de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por compreender também pelo menos a terceira porção formando alguns ou todos os elementos a seguir:
- - uma plataforma interna (140) com ou sem consolas e com ou sem uma borda anti-inclinante; e
- - uma plataforma externa (150) com ou sem consolas na plataforma externa e com ou sem limpadores na plataforma externa.
Lâmina de acordo com a reivindicação 11, caracterizada por as porções de reforço de fibra correspondentes a primeira e terceira porções da lâmina serem mutuamente intercaladas, pelo menos em parte, com os fios da primeira porção de reforço de fibra penetrando na segunda porção do reforço de fibra.
Rotor caracterizado por ter uma ou mais lâminas conforme definidas em qualquer uma das reivindicações 10 a 12.
Compressor caracterizado por ser instalado com um rotor conforme definido na reivindicação 13.
Motor de turbina caracterizado por ser instalado com um compressor conforme definido na reivindicação 14.