BR112013031756B1

BR112013031756B1 - Peça de motor de turbina que forma um estator de compressor ou um bocal de turbina, e, método de fabricação de uma peça de motor de turbina

Info

Publication number: BR112013031756B1
Application number: BR112013031756-6A
Authority: BR
Inventors: Olivier BELMONTE; Julien Foll
Original assignee: Snecma
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2021-07-20
Also published as: CA2839463C; EP2723992B1; US9708917B2; JP6038131B2; JP2014527590A; CA2839463A1; CN103620164B; BR112013031756A2; WO2012175867A1; FR2976968B1; CN103620164A; EP2723992A1; RU2632065C2; US20140133989A1; RU2014101616A; FR2976968A1

Abstract

peça de motor de turbina que forma um estator de compressor ou um bocal de turbina, e método de fabricação da mesma. trata-se de uma parte de motor de turbina que forma um estator de compressor ou um bocal de turbina e compreende um invólucro interno, um invólucro externo, e pás que se estendem substancialmente de maneira radial entre os invólucros internos e externos e são fixadas nesses. a parte é feita de material compósito e é obtida ao densificar uma pré-forma de fibra com uma matriz. a pré-forma de fibra inclui um conjunto de fios que se estende continuamente ao longo de uma trajetória que passa longitudinalmente ao longo das porções de pré-forma (242) de pelo menos duas pás consecutivas passando através da porção de pré-forma de invólucro interno (220) e da porção de pré-forma de invólucro externo (260), e os fios de reforço de fibra tecida se estendem continuamente na direção circunferencial ao longo de um segmento de invólucro interno e ao longo de um segmento de invólucro externo entre os quais as ditas pás consecutivas se estendem.

Description

Fundamentos da invenção

[0001] A invenção refere-se a peças de motor de turbina que formam estatores de compressor ou bocais de turbina. O campo de aplicação da invenção consiste em particular em motores de aeronave. Entretanto, a invenção também é aplicável a outros motores de turbina, por exemplo, turbinas a gás industriais.

[0002] Em motores de turbina, os módulos de compressor e turbina compreendem rodas giratórias que se alternam com estatores em compressores ou com bocais em turbinas.

[0003] Um estator de compressor tradicional em uso bem difundido compreende uma pluralidade de pás de guia, por exemplo, presas por soldagem a um anel externo que possui uma função estrutural e que define a parte externa da passagem de fluxo de ar. Na parte interna, a passagem de fluxo de ar é definida por um invólucro interno não estrutural. O anel externo, as pás, e o invólucro interno são tipicamente feitos de metal.

[0004] Um bocal de turbina convencional é comumente constituído de uma pluralidade de setores de metal, cada um obtido como uma única peça por fundição e cada um compreendendo um setor de invólucro externo que define a parte externa da passagem de fluxo de gás, um setor de invólucro interno que define a parte interna da passagem de fluxo de gás, e pás que conectam os setores de invólucro externo e interno.

[0005] O uso de materiais compósitos que compreendem reforço de fibra densificado por uma matriz já foi proposto para várias peças de motor de turbina, e em particular aerofólios de roda giratória, anéis de turbina, elementos de bocal de turbina, ou elementos posteriores de corpo. Para as peças que ficam expostas em operação a altas temperaturas, é recomendado usar um material compósito de matriz cerâmica (CMC). A fabricação dessas peças compreende fabricar uma pré- forma de fibra formando o reforço de fibra do material compósito e com um formato próximo ao formato da peça que será fabricada, e então densificar a pré-forma de fibra com uma matriz. A pré-forma de fibra pode ser obtida utilizando vários processos têxteis, em particular conformando-se um espaço em branco da fibra que é feito por entrelaçamento de múltiplas camadas ou tridimensional.

[0006] Essas peças de material compósito são excelentes, pois essas apresentam propriedades mecânicas satisfatórias, pelo menos comparáveis com aquelas de peças de metal similares, porém associadas com menor peso, e quando materiais CMC forem usados, essas peças conservam suas propriedades mecânicas em temperaturas muito altas e essas são, portanto, adequadas para uso quando for desejado atingir as temperaturas operacionais mais altas possíveis de motores de turbina de modo a aumentar a eficiência e reduzir as emissões poluentes.

[0007] Assim, o documento EP 1 526 285 descreve a fabricação de uma lâmina de ventilador ao densificar uma pré-forma de fibra obtida por entrelaçamento tridimensional com uma matriz orgânica. Os documentos WO 2010/061140 e WO 2010/103213 descrevem respectivamente a fabricação de lâminas com plataformas internas e/ou externas incorporadas e setores de anel de turbina por material CMC utilizando espaços em branco de fibra feitos por entrelaçamento de múltiplas camadas.

[0008] O documento WO 2010/146288 descreve um elemento de bocal de turbina CMC constituído de setores de invólucro interno e de setores de invólucro externo juntamente com pás que se estendem entre os setores e obtido por um espaço em branco de fibra tecida de múltiplas camadas com continuidade do reforço de fibra ao longo do volume do elemento de bocal. O reforço de fibra inclui fios que se estendem continuamente ao longo de duas pás passando através do setor de invólucro interno ou do setor de invólucro externo, porém os ditos fios são subsequentemente interrompidos. Ademais, não há continuidade dos fios do reforço de fibra na direção circunferencial ao longo de cada setor de invólucro interno e externo.

[0009] O documento WO 91/15357 descreve a dobra de um espaço em branco de fibra de malha em forma de sanfona para formar um setor de bocal com uma pluralidade de pás. Entretanto, a dobra é tal que também não torna possível garantir a continuidade do reforço de fibra na direção circunferencial ao longo do setor de invólucro externo e ao longo do setor de invólucro interno.

Objetivo e sumário da invenção

[0010] Um objetivo da invenção é proporcionar uma peça de motor de turbina que forma um estator de compressor ou um bocal de turbina que é feito de material compósito e que apresenta propriedades mecânicas satisfatórias.

[0011] Esse objetivo é atingido por uma parte que compreende um invólucro interno, um invólucro externo, e pás que se estendem substancialmente de maneira radial entre os invólucros interno e externo e são fixadas nesses, nessa peça o invólucro interno, o invólucro externo, e as pás são feitas de material compósito que possui reforço de fibra tecida densificado por uma matriz, e o reforço de fibra inclui um conjunto de fios que se estende continuamente ao longo de uma trajetória que se desloca longitudinalmente através de pelo menos duas pás consecutivas e passa através do invólucro interno e do invólucro externo, as ditas pelo menos duas pás consecutivas se estendem entre um segmento de invólucro interno e um segmento de invólucro externo com os fios do reforço de fibra tecida se estendendo continuamente na direção circunferencial ao longo do segmento de invólucro interno e com os fios do reforço de fibra tecida se estendendo continuamente na direção circunferencial ao longo do segmento de invólucro externo.

[0012] O reforço de fibra pode incluir um conjunto de fios que se estende continuamente ao longo de uma trajetória que passa longitudinalmente através de pelo menos três pás consecutivas e passa em alternação através do invólucro interno e do invólucro externo, as ditas pelo menos três pás consecutivas se estendem entre um segmento de invólucro interno e um segmento de invólucro externo com os fios do reforço de fibra tecida se estendendo continuamente na direção circunferencial ao longo do segmento de invólucro interno e com os fios do reforço de fibra tecida se estendendo continuamente na direção circunferencial ao longo do segmento de invólucro externo.

[0013] A continuidade dos fios do reforço de fibra contribui para conferir resistência mecânica satisfatória. Dependendo das condições de uso, a peça pode ser feita de material compósito de matriz orgânica ou de material CMC.

[0014] Vantajosamente, o invólucro interno, o invólucro externo, e as pás formam uma única parte feita de material compósito.

[0015] Sob certas circunstâncias, o reforço de fibra inclui um conjunto de fios que se estende continuamente ao longo de uma trajetória que passa ao longo de um dos invólucros interno e externo ao longo de sua circunferência, e então sucessivamente através de todas as pás, e então ao longo de outro entre os invólucros interno e externo ao longo de sua circunferência.

[0016] Em uma variante, a peça de motor de turbina é constituída de uma pluralidade de setores, sendo que cada setor forma uma única peça de material compósito que possui um setor de invólucro interno, um setor de invólucro externo, e pelo menos duas pás, ou de fato pelo menos três pás, que se estendem entre os setores de invólucro e são fixadas nesses.

[0017] Em uma modalidade particular, a peça de motor de turbina pode incluir pelo menos um flange fixado no invólucro externo e se estendendo radialmente para fora desse.

[0018] De acordo com outra característica da modalidade, a peça de motor de turbina pode incluir porções de parede fixadas no invólucro interno e definir na parte interna dessa um alojamento de seção substancialmente em forma de canal que é aberta para dentro.

[0019] A invenção também procura propor um método que permita que essa peça de motor de turbina seja fabricada a partir de uma pré-forma de fibra de uma única peça.

[0020] Esse objetivo é atingido por um método que compreende:fabricar uma pré-forma de fibra tecida que inclui um primeiro conjunto de fios que passa continuamente ao longo da circunferência da primeira porção de pré- forma que forma uma pré-forma para o invólucro interno, e então sucessivamente em uma direção longitudinal ao longo das segundas porções de pré-forma que formam pré-formas de pá, e também circunferencialmente ao longo de uma terceira porção de pré-forma que forma uma pré-forma de invólucro externo, os fios do primeiro conjunto de fios passam em sucessão ao longo das ditas segundas porções de pré-forma ao passar de uma segunda porção de pré-forma para a próxima em alternação através da primeira porção de pré-forma e através da terceira porção de pré-forma; edensificar a pré-forma de fibra com uma matriz.

[0021] Em uma implementação particular do método, a fabricação da pré-forma de fibra compreende:1) entrelaçar uma tira de fibra com um primeiro conjunto de fios que se estende continuamente na direção longitudinal da tira e compreende uma pluralidade de camadas de fios paralelos, e um segundo conjunto de fios tecidos com os fios do primeiro conjunto ao longo de segmentos tecidos da tira de fibra que são separados uns dos outros por segmentos não tecidos, sendo que a tira de fibra compreende:uma primeira porção de tira de fibra que se estende ao longo de um comprimento correspondente ao comprimento da primeira porção de pré-forma, a primeira porção de tira de fibra é constituída de segmentos tecidos que se alternam com segmentos não tecidos;uma segunda porção de tira de fibra que acompanha imediatamente a primeira porção e é constituída de segmentos tecidos que se alternam com segmentos não tecidos, os segmentos tecidos da segunda porção de tira de fibra correspondentes às segundas porções de pré-forma e com um comprimento correspondente à dimensão longitudinal das pás, e os segmentos não tecidos da segunda porção de tira de fibra formam porções de conexão entre as pré-formas de pás consecutivas; euma terceira porção de tira de fibra que acompanha imediatamente a segunda porção e se estende ao longo de um comprimento correspondente ao comprimento da terceira porção de pré-forma, sendo que a terceira porção de tira de fibra é constituída de segmentos tecidos que se alternam com segmentos não tecidos;o número total de segmentos tecidos e não tecidos em cada uma das primeira e terceira porções é igual ao número de pás; e2) conformar a tira de fibra, que compreende: enrolar a primeira porção de tira de fibra para cima;dobrar a segunda porção de tira de fibra para posicionar seus segmentos tecidos substancialmente de maneira radial em relação à primeira porção de tira de fibra enrolada para cima; eenrolar a terceira porção de tira de fibra para cima;os segmentos não tecidos da segunda porção de tira de fibra que formam as poções de conexão entre as pré-formas de pás consecutivas são engatados através dos segmentos não tecidos em alternação na primeira porção de tira de fibra enrolada para cima e na terceira porção de tira de fibra enrolada para cima.

[0022] Sob essas circunstâncias, após engatar um segmento não tecido da segunda porção de tira de fibra que forma uma porção de conexão entre duas pré- formas de pás consecutivas através de um segmento não tecido da primeira ou da terceira porção de fibra, pode-se prever o entrelaçamento do dito segmento não tecido da segunda porção de pré-forma de fibra.

[0023] Esse entrelaçamento adicional pode ser realizado com os fios do primeiro conjunto de fios no dito segmento não tecido da segunda porção de pré-forma de fibra que são interligados com os fios do primeiro conjunto de fios no dito segmento não tecido da primeira ou da terceira porção de pré-forma.

[0024] De acordo com uma característica do método, na extremidade distante de sua extremidade adjacente à segunda porção de tira de fibra, a primeira porção de tira de fibra é estendida por uma quarta porção de tira de fibra tecida ao longo de todo o seu comprimento de modo que após ser enrolada para cima, a mesma forme um revestimento interno do invólucro interno.

[0025] Sob essas circunstâncias, pode-se prever que a fabricação da pré-forma de fibra inclui porções laterais dobradas para dentro do dito revestimento interno para conferir uma seção substancialmente em forma de canal a essa.

[0026] De acordo com outra característica do método, na extremidade distante de sua extremidade adjacente à segunda porção de tira de fibra, a terceira porção de tira de fibra é estendida por uma quinta porção de tira de fibra que é tecida ao longo de todo o seu comprimento de modo que após ser enrolada para cima, a mesma forme um revestimento externo do invólucro externo.

[0027] Sob essas circunstâncias, pode-se prever que a quinta porção de tira de fibra terá uma largura que é maior do que a largura da terceira porção, e que a fabricação da pré-forma de fibra inclui dobrar para fora pelo menos uma porção do dito revestimento externo que se projeta lateralmente em relação à terceira porção de tira de fibra.

Breve descrição dos desenhos

[0028] A invenção pode ser mais bem entendida mediante a leitura da seguinte descrição fornecida a título de indicação não limitativa e com referência aos desenhos em anexo, nos quais:

[0029] A Figura 1 é uma vista fragmentária altamente diagramática de um compressor de motor de turbina;

[0030] A Figura 2 é uma vista fragmentária altamente diagramática de uma turbina de baixa pressão de um motor de turbina;

[0031] A Figura 3 é uma vista plana simplificada de uma tira de fibra tecida para uso na fabricação de uma pré-forma de fibra para um estator de compressor em uma modalidade da invenção;

[0032] As Figuras 4 e 5 são vistas em corte transversal simplificadas nos planos IV-IV e V-V da Figura 3;

[0033] As Figuras 6 a 12 são diagramas que mostram as etapas sucessivas na conformação da tira tecida da Figura 3 para obter uma pré-forma de fibra de um estator de compressor;

[0034] A Figura 13 é uma vista em corte parcial altamente diagramática no estágio de fabricação da pré-forma de estator de compressor da Figura 12;

[0035] A Figura 14 é uma vista em corte parcial altamente diagramática da pré- forma de estator de compressor como finalmente obtida a partir da tira tecida da Figura 3;

[0036] A Figura 15 é uma vista em corte parcial altamente diagramática de uma pré-forma de estator de turbina de uma única peça em uma modalidade da invenção;

[0037] A Figura 16 mostra etapas sucessivas de um método da invenção para fabricar um estator de compressor fora pelo material compósito de matriz orgânica que possui reforço de fibra constituído por uma pré-forma de fibra, tal como aquele mostrado na Figura 14, por exemplo; e

[0038] A Figura 17 mostra etapas sucessivas de um método para fabricar um estator de compressor ou um bocal de turbina por CMC que possui reforço de fibra formado por uma pré-forma de fibra como mostrado, por exemplo, nas Figuras 14 ou na Figura 15.

Descrição detalhada das modalidades da invenção

[0039] A Figura 1 é uma vista em corte parcial axial fragmentária altamente diagramática que mostra um compressor de múltiplos estágios de um motor de turbina. O compressor compreende estatores estacionários 10 que se alternam com as rodas giratórias 20.

[0040] Cada estator 10 compreende um invólucro interno 12, uma pluralidade de pás ou aerofólios 14, e um invólucro externo 16. As pás 14 são estendidas substancialmente de maneira radial entre o invólucro interno 12 e o invólucro externo 16 e essas são angularmente distribuída de maneira regular. Em suas extremidades radiais internas e externas, as pás 14 são fixadas nos respectivos invólucros 12 e 16. Na parte interna, o invólucro interno 12 contém um revestimento abrasível 11. Na parte externa, o invólucro externo 16 é fixado em um flange 17 para conexão ao compartimento de compressor, por exemplo, nos arredores de sua extremidade a jusante. O termo "a jusante" é usado em relação à direção de fluxo de ar através do compressor.

[0041] Cada roda giratória 20 possui lâminas 24 com uma plataforma interna 22. Sob a plataforma interna 22, cada lâmina é estendida por uma raiz 23 engatada em um alojamento em um rotor 25. O rotor 25 também contém limpadores 21 que faceiam o revestimento abrasível 11 de um estator adjacente. Em suas extremidades externas, as lâminas 24 também podem apresentar limpadores (não mostrados) que faceiam um revestimento abrasível conduzido por um anel 19 sustentado pelo compartimento de compressor.

[0042] As faces externas dos invólucros internos 12 dos estatores 10 e das plataformas internas 22 das lâminas da roda giratória 20, e as faces internas dos invólucros externos 16 dos estatores 10 e dos anéis 19 definem a passagem de fluxo de ar através do compressor, os limpadores cooperam com os revestimentos abrasíveis associados para proporcionar a vedação na parte interna e nas pontas das lâminas das rodas giratórias 20.

[0043] Uma disposição de compressor como descrita brevemente acima é bem conhecida.

[0044] A Figura 2 é uma vista em corte parcial axial fragmentária diagramática que mostra uma turbina de baixa pressão de múltiplos estágios de um motor de turbina. A turbina compreende bocais estacionários 30 que se alternam com as rodas giratórias 40.

[0045] Cada bocal 30 possui um invólucro interno 32, uma pluralidade de pás ou aerofólios 14, e um invólucro externo 36. As pás 34 são estendidas substancialmente de maneira radial entre o invólucro interno 32 e o invólucro externo 36 e essas são angularmente distribuída de maneira regular. Em suas extremidades internas e externas, as pás 34 são fixadas nos invólucros 32 e 36, respectivamente. Na parte interna, o invólucro interno 32 contém um revestimento abrasível 31. Na parte externa, o invólucro externo 36 é fixado em um flange 37 para conexão ao compartimento de turbina 38, por exemplo, nos arredores da extremidade a jusante do invólucro 36, e a uma parte 38 que forma uma faixa de centralização nos arredores da extremidade a montante.

[0046] Cada roda giratória 40 possui lâminas 44 com uma plataforma interna 42. Sob a plataforma interna, cada lâmina é estendida por uma raiz engatada em um alojamento em um disco 43. O disco 43 contém limpadores 41 que faceiam o revestimento abrasível 31 de um bocal adjacente. Na parte externa, as plataformas externas 46 contêm limpadores que faceiam um revestimento abrasível conduzido por um anel 39 sustentado pelo compartimento de turbina.

[0047] As faces externas dos invólucros internos 32 dos bocais 30 e das plataformas internas 42 das lâminas das rodas giratórias 40, e as faces internas do invólucro externo 36 dos bocais 30 e das plataformas externas 46 das lâminas das rodas giratórias 40 definem a passagem de fluxo de gás através da turbina, os limpadores cooperam com os revestimentos abrasíveis associados para proporcionar a vedação na parte interna e nas pontas das lâminas das rodas giratórias 40.

[0048] Uma disposição de turbina de baixa pressão como descrito brevemente acima é bem conhecida.

[0049] Uma parte de motor de turbina que forma um estator de compressor ou um bocal de turbina e adequada para ser usada em um compressor ou uma turbina como aquela mostrada nas Figuras 1 e 2, por exemplo, pode ser constituída de material compósito com reforço de fibra que compreende fios que se estendem continuamente através de uma pluralidade de pás sucessivas mediante a passagem através dos invólucros internos e externos.

[0050] Uma modalidade de uma pré-forma de fibra para essa parte de motor de turbina, por exemplo, um estator de compressor de formato análogo àquele de um estator 10 da Figura 1, é descrita abaixo, como a parte final obtida ao densificar a pré-forma de fibra com uma matriz.

[0051] Várias operações para obter uma pré-forma de fibra 100 como mostrada na Figura 14 (descrita em detalhes abaixo) são descritas com referência às Figuras 3 a 13.

[0052] A Figura 3 é uma vista plana de uma tira de fibra tecida 200 que torna possível, após vários estágios de conformação, obter a pré-forma de fibra desejada 100. Nesse exemplo, a tira 200 é tecida longitudinalmente na direção de urdidura (seta C). As porções tecidas com fios de trama (direção T) são mostradas como uma grade. Nas outras porções que não são tecidas, apenas os fios de trama são mostrados.

[0053] A tira 200 compreende uma primeira porção 220 para formar uma porção de pré-forma de invólucro interno, uma segunda porção 240 que possui porções que irão formar as porções de pré-forma de pá, e uma terceira porção 260 que irá formar uma porção de pré-forma de invólucro externo, a porção 240 estende imediatamente a porção 220, enquanto a porção 260 estende imediatamente a porção 240. Em sua extremidade longitudinal distante de sua extremidade adjacente à porção 240, a porção 220 pode ser imediatamente estendida por uma porção 210 que irá formar uma porção de pré-forma para revestir internamente o invólucro interno. De maneira similar, em sua extremidade longitudinal distante de sua extremidade adjacente à porção 240, a porção 260 pode ser imediatamente estendida por uma porção 270 que irá formar uma porção de pré-forma para fornecer um revestimento externo ao invólucro externo.

[0054] A tira 200 constituída das porções 210, 220, 240, 260, and 270, e uma vez que foi formada da maneira descrita abaixo, irá constituir a pré-forma de fibra 100. Naturalmente, uma pluralidade de tiras 200 pode ser continuamente tecida, então são subsequentemente cortadas individualmente para formar a pré-forma 100.

[0055] As porções 210 e 270 são tecidas ao longo de todo o seu comprimento, sem qualquer interrupção do entrelaçamento.

[0056] A porção 220 é constituída de segmentos tecidos 222 que se alternam com os segmentos não tecidos 224 (isto é, segmentos que possuem apenas fios de urdidura), e essa possui um comprimento correspondente à circunferência do invólucro interno do estator que será fabricado. O número total de segmentos 222 e 224 corresponde ao número de pás de estator que será fabricado. Os segmentos tecidos 222 possuem o mesmo comprimento. Também, os segmentos não tecidos 224 possuem o mesmo comprimento, o comprimento dos segmentos 224 é substancialmente igual ou um pouco maior que o comprimento dos segmentos 222, como explicado abaixo.

[0057] A porção 240 é constituída de segmentos tecidos 242 que se alternam com segmentos não tecidos, os mesmos se alternam entre os segmentos 244a e 244b. Os segmentos 242 irão constituir as porções de pré-formas de pás. O número dessas é igual ao número de pás de estator no compressor que será fabricado e essas possuem um comprimento L substancialmente igual à dimensão radial das pás. Os segmentos 244a possuem o mesmo comprimento L1 correspondente à distância da conexão entre duas extremidades internas de pás adjacentes que passam através do invólucro interno, como explicado abaixo. Os segmentos 244b possuem o mesmo comprimento L2 correspondente à distância da conexão entre duas extremidades externas de pás adjacentes que passam através do invólucro externo, como explicado abaixo.

[0058] A porção 260 é constituída de segmentos tecidos 262 que se alternam com segmentos não tecidos 264 e essa possui um comprimento correspondente ao comprimento do invólucro externo do estator que será fabricado. O número total de segmentos 262 e 264 corresponde ao número de pás no estator que será fabricado. Os segmentos 262 possuem o mesmo comprimento. Também, os segmentos 264 possuem o mesmo comprimento, sendo que o comprimento dos segmentos 264 é substancialmente igual ou um pouco maior que o comprimento dos segmentos 262, como explicado abaixo.

[0059] A largura da porção 220 corresponde à dimensão axial do invólucro interno, enquanto a largura da porção 260 corresponde à dimensão axial do invólucro externo, essas duas dimensões no exemplo sob consideração são substancialmente iguais.

[0060] A largura dos segmentos tecidos 242 na porção 240 corresponde à largura máxima de uma pá quando projetada de forma plana. Nesse exemplo, essa é menor que as larguras das porções 220 e 260, então os fios de urdidura adjacentes às bordas longitudinais da porção 240 da tira 200 não são tecidos.

[0061] A largura da porção 210 é substancialmente igual à largura das porções 220 e 260.

[0062] A largura da porção 270 é maior que a largura da porção 260, que é obtida ao adicionar os fios de urdidura em um ou ambos os lados da tira 200, dependendo do perfil da porção de pré-forma que será constituída com a porção de tira 270. Nesse exemplo mostrado, os fios de urdidura são adicionados apenas em um lado.

[0063] O entrelaçamento nas porções tecidas da tira 200 é um entrelaçamento tridimensional ou de múltiplas camadas com uma pluralidade de camadas de fios de urdidura e uma pluralidade de camadas de fios de trama, e com os fios de trama em uma determinada camada de fios de trama interligando os fios de urdidura de uma pluralidade de camadas de fios de urdidura.

[0064] O entrelaçamento pode ser realizado utilizando uma trama do tipo interloque como mostrado nas Figuras 4 e 5 que mostram os planos de entrelaçamento em um segmento tecido 222 e em um segmento tecido 242, respectivamente. É possível selecionar outras tramas de múltiplas camadas, por exemplo, tramas do tipo multi-cetim, multi-sarja ou multi-plana. Pode-se fazer referência ao documento WO 2006/136755, cujo conteúdo está aqui incorporado a título de referência. Deve ser observado que o entrelaçamento também poderia ser realizado utilizando uma pluralidade de tramas diferentes, em particular com tramas bidimensionais do tipo cetim nas camadas externas de fios de urdidura, pelo menos na porção 240, para proporcionar uma aparência de superfície lisa às porções de pré-forma de pá.

[0065] No exemplo mostrado, a tira de fibra 200 é tecida com quatro camadas de fios de urdidura C1, C2, C3, e C4, e com três camadas de fios de trama T1, T2 e T3. Naturalmente, o número de camadas de fios de urdidura e o número correspondente de camadas de fio de trama poderiam ter outros valores dependendo da espessura desejada da tira 200 dos fios de determinado peso. A espessura da tira de fibra 200 corresponde à maior espessura entre as espessuras das porções de pré-forma que serão fabricadas. Para as porções que possuem, de preferência, uma espessura que é menor que a espessura de outras porções, por exemplo, as porções de pré- forma de pá, o entrelaçamento na porção correspondente 240 da tira 200 pode ser realizado em um número menor de fios de urdidura. Os segmentos de fios de urdidura que se estendem ao longo de todo o comprimento da porção 240 sem serem tecidos, ao longo de suas bordas longitudinais (Figura 5) e possivelmente também ao longo de sua espessura, podem ser eliminados após a tira 200 ser tecida e antes de a mesma ser conformada.

[0066] A fabricação de uma pré-forma 100 a partir de uma tira tecida 200 é descrita abaixo com referência às Figuras 6 a 12.

[0067] Uma primeira etapa (Figura 6) compreende enrolar a porção 220 em torno de uma circunferência completa enquanto a porção 210 é enrolada para cima de reserva.

[0068] Em uma segunda etapa (Figura 7), a porção 240 é dobrada em forma de sanfona em torno do eixo geométrico da porção enrolada 220 com os segmentos tecidos 242 se estendendo radialmente e os segmentos não tecidos 244a passando através de segmentos não tecidos 224 para se projetarem a partir de dentro da porção enrolada 220. Os segmentos tecidos 242 irão formar porções de pré-forma de pá.

[0069] Em uma terceira etapa (Figura 8), os segmentos não tecidos 244a, que formam as conexões entre os segmentos 242 na parte interna, são tecidos para manter os mesmos no lugar em relação à porção enrolada 220. Esse entrelaçamento adicional (representado por pontos) é realizado utilizando fios de trama que são adicionados utilizando uma trama tridimensional ou de múltiplas camadas. Vantajosamente, o entrelaçamento é realizado para garantir que os fios de urdidura de várias camadas de fios de urdidura nos segmentos não tecidos 244a sejam interligados e garantir que os fios de urdidura das camadas de fio de urdidura dos segmentos não tecidos 244a e os fios de urdidura das camadas de fio de urdidura dos segmentos não tecidos 224 sejam interligados para fixar as extremidades internas dos segmentos tecidos 242 na porção 220, isto é, para fixar as porções de pré-forma de pá na porção de pré-forma de invólucro interno. Deve ser observado que a porção enrolada para cima 220 é terminada pelo primeiro segmento não tecido 2241 da porção 220 (na direção de urdidura) interpenetrando no primeiro segmento não tecido 244a1 da porção 240, os segmentos 2241 e 244a1 também são submetidos a entrelaçamento adicional.

[0070] No exemplo mostrado, os segmentos não tecidos 244a são completamente integrados nos segmentos não tecidos 224. Essa integração poderia ser apenas parcial, com as porções dos segmentos 244a se projetando na parte interna da porção 220.

[0071] O entrelaçamento adicional dos segmentos 244a pode ser realizado após a porção 240 ser completamente dobrada, ou progressivamente durante a dobra.

[0072] Em uma quarta etapa (Figura 9), a porção 260 é enrolada ao longo de uma circunferência completa, enquanto a porção 270 é enrolada para cima de reserva. O enrolamento da porção 260 é realizado ao fazer com que os segmentos não tecidos 244b da porção 240 passem através dos segmentos não tecidos 264 para se projetarem a partir de fora da porção enrolada 260.

[0073] Em uma quinta etapa (Figura 10), os segmentos não tecidos 244b, que formam as conexões entre os segmentos 242 na parte externa, são tecidos para manter os mesmos no lugar em relação à porção enrolada 260. Em uma variante, esse entrelaçamento pode ser realizado progressivamente enquanto a porção 260 está sendo enrolada. Esse entrelaçamento adicional é realizado com fios de trama adicionais utilizando uma trama tridimensional ou de múltiplas camadas. Vantajosamente, o entrelaçamento é realizado para garantir que os fios de urdidura de várias camadas de fios de urdidura nos segmentos não tecidos 244b sejam interligados e garantir que os fios de urdidura das camadas de fio de urdidura dos segmentos não tecidos 244b e os fios de urdidura dos segmentos de fio de urdidura dos segmentos não tecidos 264 sejam interligados para fixar as extremidades externas dos segmentos tecidos 222 na porção 260, isto é, para fixar as porções de pré-forma de pá na porção de pré-forma de invólucro externo. Deve ser observado que a porção enrolada para cima 260 termina com o último segmento não tecido 244bn da porção 240 interpenetrando com os últimos segmentos não tecidos 264an da porção 260, esses dois segmentos também são submetidos a entrelaçamento adicional.

[0074] No exemplo mostrado, os segmentos não tecidos 244b são completamente integrados nos segmentos não tecidos 264. Essa integração poderia ser apenas parcial, com as porções dos segmentos 244b se projetando na parte externa da porção 260.

[0075] O entrelaçamento adicional nas terceira e quinta etapas pode ser realizado manualmente.

[0076] Em uma sexta etapa (Figura 11), a porção 210 é enrolada ao longo de uma circunferência completa em contato com a porção enrolada 220 para formar uma porção de pré-forma que constitui um revestimento interno do invólucro interno.

[0077] Em uma sétima etapa (Figura 12), a porção 270 é enrolada ao longo de uma circunferência completa em contato com a porção enrolada 260 para formar uma porção de pré-forma que constitui um revestimento externo do invólucro externo. A ligação, por exemplo, costura, pode ser opcionalmente realizada entre as porções enroladas 210 e 220, e também entre as porções enroladas 270 e 260.

[0078] A Figura 13 é uma vista em corte parcial radial nesse estágio da fabricação da pré-forma de fibra 100.

[0079] Deve ser observado que a conformação da tira de fibra pode ser realizada com o auxílio de uma ferramenta de suporte, por exemplo, que compreende hastes sobre as quais os segmentos não tecidos 244a, 244b passam enquanto a porção 240 está sendo dobrada, essas hastes são removidas para permitir que esses segmentos não tecidos sejam submetidos ao entrelaçamento adicional durante as terceira e quinta etapas.

[0080] As porções tecidas 242 que irão constituir as porções de pré-forma de pá são equidistantes em suas extremidades internas e externas. Consequentemente, os segmentos não tecidos 224 da porção 220 podem ser um pouco maiores do que os segmentos tecidos 222 para acomodar a espessura da tira de fibra 200. Também, na porção 260, os segmentos não tecidos 264 podem ser um pouco maiores do que os segmentos tecidos 262 para acomodar a espessura da tira tecida 200. Também poderia ser possível produzir as porções 220 e 260 com os segmentos tecidos tendo substancialmente o mesmo comprimento que os segmentos não tecidos, as porções 220 e 260 são tecidas com um comprimento que é um pouco menor do que sua circunferência final após o enrolamento e são enroladas com uma tensão exercida para fora.

[0081] A conformação é subsequentemente realizada com uma ferramenta conformadora para obter a pré-forma 100 (Figura 14) com um formato próximo àquele do estator que será fabricado. Durante essa conformação, o perfil desejado é conferido às pré-formas de pá 140 correspondentes às porções tecidas 242, o revestimento interno 210 é conformado para fornecer às mesmas uma seção de canal de modo a obter uma porção de pré-forma 110 que define um alojamento para o material abrasível na parte interna da porção de pré-forma 120 do invólucro interno, e o revestimento externo 270 é conformado para obter uma porção de pré- forma 170 para um flange de fixação na parte externa da porção de pré-forma 160 do invólucro externo.

[0082] A largura da porção tecida 210 é selecionada como uma função das dimensões desejadas da porção de pré-forma 211. Nesse exemplo, essa é igual àquela da porção 220. Nesse exemplo, a largura da porção 270 é maior do que aquela da porção 260 de modo a ser capaz de formar a porção de pré-forma de flange 170.

[0083] A Figura 15 mostra uma pré-forma de fibra 300 para um bocal de turbina que possui um formato que é análogo àquele de um bocal 30 como mostrado na Figura 2, por exemplo. A pré-forma 300 é obtida por um método similar àquele descrito acima com referência às Figuras 3 a 14. A pré-forma 300 compreende uma porção de pré-forma 310 que irá formar um alojamento de revestimento abrasível, uma porção de pré-forma de invólucro interno 320, porções de pré-forma de pá de bocal 342, uma porção de pré-forma de invólucro externo 360, e porções de pré- forma 370 e 380 para um flange de fixação e uma faixa de centralização na parte externa do invólucro externo.

[0084] Um estator de compressor ou um bocal de turbina feito de material compósito é finalmente obtido ao densificar a pré-forma 100 ou 300 com uma matriz. Os materiais que constituem as fibras da pré-forma de fibra e constituem a matriz são selecionados como uma função de condições de uso. Em um estator de compressor, pelo menos nos primeiros estágios a montante do compressor, um material compósito feito com fibras de carbono ou vidro e uma matriz orgânica (matriz polimérica) pode ser usado. Quando a temperatura de uso estiver alta, em particular para um bocal de turbina ou para estatores de compressor nos estágios a jusante de um compressor, um material compósito de matriz cerâmica (CMC) é usado com fibras de carbono ou cerâmica e uma matriz cerâmica.

[0085] Com uma peça feita de material compósito de matriz orgânica (Figura 16), a tira de fibra 200 é conformada em uma ferramenta conformadora (etapa 502), a pré-forma resultante é impregnada com uma resina por injeção ou por infusão (etapa 504), e o tratamento térmico de cura com resina é realizado (etapa 506). Então, a usinagem de acabamento pode ser realizada (etapa 508) em particular nos invólucros internos e externos, no alojamento de material abrasível, no flange de fixação, e na faixa de centralização. A resina é uma resina precursora de matriz polimérica como uma resina epóxi, uma resina de bismaleimida, ou uma resina de poliimida, por exemplo.

[0086] Para uma peça feita de CMC (Figura 17), uma primeira camada de revestimento de interfase fina para a redução de suscetibilidade do material CMC é formada sobre as fibras da tira de fibra tecida 200 (etapa 602) antes da conformação. A camada de revestimento de interfase, por exemplo, de carbono pirolítico (PyC), de nitreto de boro (BN), ou de carbono dopado com boro (BC) é formada por infiltração química na fase de vapor (CVI) com uma espessura que é relativamente pequena, por exemplo, menor que 100 nanômetros, para preservar a capacidade da tira de fibra de ser deformada.

[0087] A tira de fibra 200 fornecida com a primeira camada de revestimento de interfase é conformada utilizando uma ferramenta conformadora (etapa 604) para obter uma pré-forma como 100 ou 300. A pré-forma é consolidada em seu formato (etapa 606) enquanto é mantida na ferramenta conformadora. A consolidação é realizada por impregnação, por infiltração ou por injeção, utilizando uma resina precursora de carbono, por exemplo, uma resina fenólica ou cerâmica, ou uma resina precursora de cerâmica, por exemplo, uma resina de polisilazano ou polisiloxano como um precursor para carbeto de silício SiC. Após a resina ser curada e pirolisada, a pré-forma consolidada pode ser removida da ferramenta conformadora. A quantidade de resina consolidada é selecionada de modo que o resíduo de pirólise seja suficiente, de preferência, apenas suficiente, para ligar as fibras da pré-forma de modo que a pré-forma possa ser manipulada enquanto conserva seu formato sem o auxílio de uma ferramenta de suporte.

[0088] Após a consolidação, uma segunda camada de revestimento de interfase pode ser formada por CVI (etapa 608) para obter uma interfase fibra-matriz total com espessura suficiente para realizar a função de redução de suscetibilidade do material CMC, a segunda camada de revestimento de interfase é constituída, por exemplo, por PyC, BN, ou BC, and e possui uma espessura que é, de preferência, maior que 100 nanômetros.

[0089] Então, a densificação com uma matriz cerâmica é realizada. A densificação pode ser realizada por CVI. A título de exemplo, a matriz pode ser feita de SiC ou pode ser uma matriz de autocura, por exemplo, que compreende fases de matriz de um sistema ternário Si-B-C ou de carbeto de boro B4C. Os documentos US 5 246 736 e US 5 965 266 descrevem como CVI pode ser usada para obter essas matrizes de cura. A densificação por CVI pode ser realizada em dois ciclos 610 e 614 separados por uma etapa 612 de realizar a usinagem de acabamento na parte.

[0090] Um método do tipo descrito acima com referência à Figura 17 é conhecido por si só. Pode-se fazer referência ao documento US 2010/0015428, cujo conteúdo está aqui incorporado a título de referência, e ao documento WO 2010/103213 que descreve esse método de fabricação de uma montagem de anel de turbina por CMC.

[0091] A peça monobloco obtida após a densificação pode ser usada como um estator de compressor completo ou como um bocal de turbina completo. Em uma variante, em particular para um bocal de turbina, a peça pode ser cortada em setores, cada um compreendendo um setor de invólucro interno, um setor de invólucro externo, e pelo menos duas pás, ou possivelmente pelo menos três pás, quando exigido, em particular para facilitar a montagem.

[0092] Assim, com uma peça monobloco e com setores, a invenção é notável, pois a maneira na qual a pré-forma é feita permite que os fios de reforço de fibra sejam contínuos ao longo de uma trajetória que se desloca longitudinalmente através de pelo menos duas pás consecutivas passando através do invólucro interno e do invólucro externo, ou passando longitudinalmente através de pelo menos três pás consecutivas mediante a passagem em alternação através do invólucro interno e através do invólucro externo, com essa continuidade contribui-se para conferir um alto grau de resistência mecânica. Também há continuidade de fio de reforço de fibra ao longo dos segmentos de invólucro interno e externo entre os quais pelo menos duas ou pelo menos três lâminas consecutivas se estendem.

[0093] Para uma peça que forma um estator de compressor de uma única peça ou bocal de turbina, o reforço de fibra compreende fios que se estendem continuamente ao longo de uma parte que se desloca ao longo de um dos invólucros interno e externo em torno de sua circunferência e então em sucessão através de todas as pás, passando de um para o outro em alternação através do invólucro externo e do invólucro interno, e então se deslocando ao longo do outro invólucro.

Claims

1. Peça de motor de turbina que forma um estator de compressor ou um bocal de turbina, caracterizada pelo fato de que compreende um invólucro interno, um invólucro externo, e pás que se estendem substancialmente de maneira radial entre os invólucros interno e externo e são fixadas nesses, nessa peça o invólucro interno, o invólucro externo, e as pás são feitos de material compósito com reforço de fibra tecida densificado por uma matriz, e o reforço de fibra inclui um conjunto de fios que se estende continuamente ao longo de uma trajetória que passa longitudinalmente através de pelo menos três pás consecutivas e passa em alternação através do invólucro interno e do invólucro externo, as ditas pelo menos três pás consecutivas se estendendo entre um segmento de invólucro interno e um segmento de invólucro externo com fios do reforço de fibra tecida se estendendo continuamente na direção circunferencial ao longo do segmento de invólucro interno e com fios do reforço de fibra tecida se estendendo continuamente na direção circunferencial ao longo do segmento de invólucro externo.

2. Peça de motor de turbina, de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que o invólucro interno, o invólucro externo, e as pásformam uma peça única feita de material compósito.

3. Peça de motor de turbina, de acordo com a reivindicação 2,caracterizada pelo fato de que o reforço de fibra inclui um conjunto de fios que seestende continuamente ao longo de uma trajetória que passa ao longo de um dos invólucros interno e externo ao longo de sua circunferência, e então sucessivamente através de todas as pás, e então ao longo do outro entre os invólucros interno e externo ao longo de sua circunferência.

4. Peça de motor de turbina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que é constituída de uma pluralidade de setores, cada setor formando uma peça única de material compósito com um setor de invólucro interno, um setor de invólucro externo, e pelo menos duas pás que se estendem entre os setores de invólucro e fixadas nesses.

5. Peça de motor de turbina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que é constituída de uma pluralidade de setores, cada setor formando uma peça única de material compósito que possui um setor de invólucro interno, um setor de invólucro externo, e pelo menos três pás que se estendem entre os setores de invólucro e fixadas nesses.

6. Peça de motor de turbina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que inclui adicionalmente pelo menos um flange fixado no invólucro externo e se estendendo radialmente para fora desse.

7. Peça de motor de turbina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que inclui adicionalmente uma porção fixada no invólucro interno e que define na parte interna desse um alojamento de seção substancialmente em forma de canal que é aberta para dentro.

8. Peça de motor de turbina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que é feita de material compósito de matriz cerâmica.

9. Método de fabricação de uma peça de motor de turbina que forma um estator de compressor ou um bocal de turbina, a peça possuindo um invólucro interno, um invólucro externo, e pás que se estendem substancialmente de maneira radial entre os invólucros interno e externo e são fixadas nesses, o método caracterizado pelo fato de que compreende:fabricar uma pré-forma de fibra tecida que inclui um primeiro conjunto de fios que passa continuamente ao longo da circunferência de uma primeira porção de pré-forma que forma uma pré-forma para o invólucro interno, e então sucessivamente em uma direção longitudinal ao longo de segundas porções de pré- forma que formam pré-formas de pá, e também circunferencialmente ao longo de uma terceira porção de pré-forma que forma uma pré-forma de invólucro externo, os fios do primeiro conjunto de fios passando em sucessão ao longo das ditas segundas porções de pré-forma passando de uma segunda porção de pré-forma para a próxima em alternação através da primeira porção de pré-forma e através da terceira porção de pré-forma; e densificar a pré-forma de fibra com uma matriz.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a fabricação da pré-forma de fibra compreende:1) entrelaçar uma tira de fibra com um primeiro conjunto de fios que se estende continuamente na direção longitudinal da tira e compreende uma pluralidade de camadas de fios paralelos, e um segundo conjunto de fios tecidos com os fios do primeiro conjunto ao longo de segmentos tecidos da tira de fibra que são separados uns dos outros por segmentos não tecidos, sendo que a tira de fibra compreende:uma primeira porção de tira de fibra que se estende ao longo de um comprimento correspondente ao comprimento da primeira porção de pré-forma, a primeira porção de tira de fibra sendo constituída de segmentos tecidos que se alternam com segmentos não tecidos;uma segunda porção de tira de fibra que acompanha imediatamente a primeira porção e é constituída de segmentos tecidos que se alternam com segmentos não tecidos, os segmentos tecidos da segunda porção de tira de fibra correspondentes às segundas porções de pré-forma e com um comprimento correspondente à dimensão longitudinal das pás, e os segmentos não tecidos da segunda porção de tira de fibra formando porções de conexão entre pré-formas de pás consecutivas; euma terceira porção de tira de fibra que acompanha imediatamente a segunda porção e se estende ao longo de um comprimento correspondente ao comprimento da terceira porção de pré-forma, sendo que a terceira porção de tira de fibra sendo constituída de segmentos tecidos que se alternam com segmentos não tecidos;o número total de segmentos tecidos e não tecidos em cada uma das primeira e terceira porções sendo igual ao número de pás; e2) conformar a tira de fibra compreendendo:enrolar a primeira porção de tira de fibra para cima;dobrar a segunda porção de tira de fibra para posicionar seus segmentos tecidos substancialmente de maneira radial em relação à primeira porção de tira de fibra enrolada para cima; eenrolar a terceira porção de tira de fibra para cima;os segmentos não tecidos da segunda porção de tira de fibra que formam porções de conexão entre pré-formas de pás consecutivas sendo engatados através dos segmentos não tecidos em alternação na primeira porção de tira de fibra enrolada para cima e na terceira porção de tira de fibra enrolada para cima.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que, após engatar um segmento não tecido da segunda porção de tira de fibra que forma uma porção de conexão entre duas pré-formas de pás consecutivas através de um segmento não tecido da primeira ou da terceira porção de fibra, o dito segmento não tecido da segunda porção de pré-forma de fibra é tecido.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o entrelaçamento é realizado com fios do primeiro conjunto de fios no dito segmento não tecido da segunda porção de pré-forma de fibra que são interligados com os fios do primeiro conjunto de fios no dito segmento não tecido da primeira ou da terceira porção de pré-forma.

13. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que, em sua extremidade distante de sua extremidade adjacente à segunda porção de tira de fibra, a primeira porção de tira de fibra é estendida por uma quarta porção de tira de fibra tecida ao longo de todo o seu comprimento de modo que após ser enrolada para cima essa forme um revestimento interno do invólucro interno.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a fabricação da pré-forma de fibra inclui dobrar as porções laterais do dito revestimento interno para dentro de modo a conferir uma seção substancialmente em forma de canal a essa.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 14, caracterizado pelo fato de que, em sua extremidade distante de sua extremidade adjacente à segunda porção de tira de fibra, a terceira porção de tira de fibra é estendida por uma quinta porção de tira de fibra que é tecida ao longo de todo o seu comprimento de modo que após ser enrolada para cima essa forme um revestimento externo do invólucro externo.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a quinta porção de tira de fibra possui uma largura que é maior que a largura da terceira porção, e a fabricação da pré-forma de fibra inclui dobrar para fora pelo menos uma porção do dito revestimento externo que se projeta lateralmente em relação à terceira porção de tira de fibra.