BR112015007968B1 - pá para uma turbomáquina, turbomáquina e método de produção de uma pá de uma turbomáquina - Google Patents
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Abstract
PÁ PARA UMA TURBOMÁQUINA, TURBOMÁQUINA E MÉTODO DE PRODUÇÃO DE UMA PÁ DE UMA TURBOMÁQUINA. A presente invenção refere-se a um método que é usado para a produção de uma pá 201 de uma turbomáquina que compreende uma porção de aerofólio 202; de acordo com o mesmo, pelo menos uma superfície externa ou interna da porção de aerofólio é obtida por usinagem por eletroerosão a fio; isso é permitido projetando-se essas superfícies como superfícies estriadas ou muito próximo de tais superfícies; esse método é particularmente eficaz, para formar cavidades internas 205 de pás vazadas do estator de turbinas a vapor; esse método permite produzir em uma única peça pás vazadas 201 que têm porções de raiz e porções de cobertura. A pá de uma turbomáquina tem uma cavidade interna em que a superfície do aerofólio da pá dentro da cavidade define sulcos perpendiculares a um eixo geométrico da turbomáquina.
Description
[001] As realizações da presente invenção, geralmente se relacionam às pás para turbomáquinas, turbomáquinas que usam tais pás e métodos de produção de tais pás; mais especificamente, as mesmas se relacionam a pás do estator para turbinas a vapor, turbinas a vapor que usam tais pás e métodos de produção de tais pás.
[002] Em turbinas a vapor, a condensação parcial do vapor ocorre em seu último estágio ou estágios.
[003] Em particular, a condensação ocorre na porção de aerofólio das pás do estator de um denominado “estágio de condensação”, tipicamente o último estágio da turbina.
[004] Se gotículas são geradas como consequência da condensação, as mesmas deixam as pás estáticas do estator e atingem as pás giratórias do rotor; portanto, danos às pás do rotor podem ocorrer.
[005] A fim de reduzir os danos causados pelas gotículas, a velocidade de rotação das pás do rotor pode ser reduzida; mas, dessa forma, a eficiência da turbina também é reduzida.
[006] De modo alternativo, a fim de reduzir qualquer dano às pás do rotor, existem soluções para coletar a condensação antes da geração das gotículas.
[007] A mais típica dessas soluções consiste em usar pás vazadas do estator em que é provável que a condensação ocorra, fornecendo orifícios e/ou ranhuras através da porção de aerofólio das pás que se estendem a partir da superfície de aerofólio à cavidade interna, e sugando a partir da cavidade interna de modo que qualquer condensação deixe a superfície de aerofólio e entre na cavidade interna. Nesse modo, gotículas na superfície de aerofólio das pás do estator não são geradas nem liberadas - precisamente, a geração de gotículas não pode ser evitada mas pode ser simplesmente altamente reduzida.
[008] A produção de uma pá vazada de estator para turbinas a vapor tem sido tradicionalmente realizadas iniciando-se a partir de duas folhas de metal; consequentemente, as duas folhas de metal foram moldadas de tal modo a formar duas metades de invólucro, então, as duas metades de invólucro foram soldadas conjuntamente; finalmente, algum acabamento foi, frequentemente, realizado.
[009] Por vezes, um método de produção diferente vem sendo utilizado mais recentemente (consulte, por exemplo, Figura 1): - adotar duas barras de metal, - laminar as mesmas separadamente de modo a definir a superfície da cavidade interna (consulte, por exemplo, Figura 1A), - soldar as mesmas conjuntamente de modo a obter uma peça vazada (consulte, por exemplo, Figura 1B), - fazer o acabamento de laminação da peça vazada de modo a definir a superfície de aerofólio (consulte, por exemplo, Figura 1C).
[010] Esse método de produção permite definir com bastante precisão a superfície interna da pá, isto é, a superfície da cavidade interna e, com bastante precisão, a superfície externa de uma pá, isto é, a superfície de aerofólio. De todo modo, o mesmo é bastante dispendioso, visto que a operação de laminação (para o lado interno e externo) é relativamente lenta.
[011] Em turbinas, especialmente turbinas a gás, pás vazadas são, por vezes, usadas para pás do rotor, a fim de reduzir o peso do elemento giratório. Essas pás vazadas são tipicamente obtidas por meio de fundição, particularmente, “fundição por processo de cera perdida”, a fim de obter um elemento giratório que tem um formato e tamanho extremamente precisos; de qualquer maneira, esse método de produção é muito dispendioso, especialmente quando usado para produção de lotes pequenos (por exemplo, de 100 a 1.000 peças).
[012] Portanto, há uma necessidade geral para uma solução de pás, em particular, pás vazadas de turbina a gás, que permitem uma produção mais fácil e econômica sem sacrificar a precisão de formato e/ou tamanho. Em particular, há uma necessidade de um método de produção que não exija moldes e que não exija limitações nem laminação e/ou acabamento e que seja diferente da fundição.
[013] Adicionalmente, seria desejável obter uma pá vazada em uma única peça que integre não apenas uma porção de aerofólio, mas também uma porção de raiz e uma porção de cobertura.
[014] De qualquer maneira, se a porção de aerofólio, a porção de raiz e a porção de cobertura forem três peças separadas, seria desejável juntá- las facilmente.
[015] Finalmente, seria desejável produzir módulos que compreendem um conjunto de pás vazadas para turbina a gás, de uma forma fácil.
[016] Deve ser considerado que um dos objetivos é produzir uma turbina a gás completa, que tenha bom desempenho de uma forma relativamente fácil e a um custo razoável.
[017] Os presentes inventores partiram da realização de que para uma pá vazada de turbina a gás, o formato na superfície da cavidade interna não é particularmente essencial; isso é bastante diferente da cavidade interna de outros tipos de pás vazadas. Por outro lado, o formato da superfície de aerofólio é muito importante.
[018] Sob a luz dessas observações, os inventores pensaram em (A) produzir a pá em uma única peça, (B) utilizar a laminação da superfície de aerofólio que modo que o formato fosse extremamente preciso, (C) utilizar usinagem por eletroerosão a fio (Wire Electric Discharge Machining), isto é, Wire EDM para a cavidade interna de modo que fosse suficientemente simples e fácil de ser realizada e seu formato seria suficientemente preciso, ou seja, a superfície interna da pá poderia ser muito suficientemente bem realizada com a superfície externa da pá.
[019] Com o uso da EDM a fio, a superfície da cavidade interna é uma “superfície estriada”.
[020] Desse modo, não é necessária nenhuma soldagem para a produção da pá, a precisão da superfície ou superfícies da máquina da pá é extremamente elevada e a espessura da parede lateral da porção de aerofólio da pá pode ser muito baixa.
[021] Esse método de produção, em particular, é adequado e conveniente para produções de lotes pequenos (por exemplo, 100 a 1.000 peças).
[022] Os presentes inventores perceberam, em seguida, que a EDM a fio era adequada para formar não apenas a superfície interna de uma pá vazada de uma turbina, mas também para formar tanto a superfície interna quanto externa das pás, mesmo para pás longas (por exemplo, de até 1.000 mm), desde que essas superfícies sejam projetadas como “superfícies estriadas” ou muito próximas de tal tipo de superfícies.
[023] Um primeiro aspecto da presente invenção é uma pá para uma turbomáquina.
[024] De acordo com realizações da mesma, uma pá para uma turbomáquina compreende uma porção de aerofólio, sendo que a dita porção de aerofólio se estende longitudinalmente por um comprimento e tem uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, sendo que a dita porção de aerofólio é definida lateralmente por uma superfície de aerofólio e sendo que a dita superfície de aerofólio é uma superfície estriada.
[025] De acordo com realizações alternativas da mesma, uma pá para uma turbomáquina compreende uma porção de aerofólio, sendo que a dita porção de aerofólio se estende longitudinalmente por um comprimento e tem uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, sendo que a dita porção de aerofólio é definida lateralmente por uma superfície de aerofólio, sendo que a dita porção de aerofólio tem uma cavidade interna que se estende integralmente ao longo do comprimento e sendo que a dita cavidade interna é definida lateralmente por uma superfície estriada.
[026] A dita superfície de aerofólio pode ser uma superfície estriada.
[027] A pá pode ser disposta como uma pá de estator para uma turbina a vapor que compreende uma porção de raiz, uma porção de cobertura e um aerofólio que se estende longitudinalmente por um comprimento e tem uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, sendo que a dita primeira extremidade é adjacente à porção de raiz e sendo que a segunda extremidade é adjacente à dita porção de cobertura, sendo que a dita porção de aerofólio é definida lateralmente por uma superfície de aerofólio, sendo que a dita porção de aerofólio tem uma cavidade interna que se estende integralmente ao longo do comprimento e sendo que a dita cavidade interna é definida lateralmente por uma superfície estriada.
[028] Em qualquer ponto da porção de aerofólio, a distância (medida transversalmente à pá) entre a dita superfície de aerofólio e a dita superfície estriada pode ser variável.
[029] Em qualquer ponto da porção de aerofólio, a distância (medida transversalmente à pá) entre a dita superfície de aerofólio e a dita superfície estriada pode ser maior do que 1 mm e menor do que 5 mm.
[030] Na dita primeira extremidade, há um primeiro deslocamento entre a dita superfície de aerofólio e a dita superfície estriada; o dito primeiro deslocamento pode ser constante e pode estar na faixa de 1 mm e 5 mm.
[031] Na dita segunda extremidade, há um segundo deslocamento entre a dita superfície de aerofólio e a dita superfície estriada; o dito segundo deslocamento pode ser constante e pode estar na faixa de 1 mm e 5 mm.
[032] A dita porção de raiz, a dita porção de cobertura e a dita porção de aerofólio podem estar em uma única peça e a dita superfície estriada pode se estender também através da dita porção de raiz e da dita porção de cobertura.
[033] A dita porção de raiz e a dita porção de cobertura podem ser unidas à dita porção de aerofólio na dita primeira e na dita segunda extremidades. Nesse caso, a dita porção de raiz tem um primeiro orifício (de passagem) que tem um formato que corresponde ao formato da dita superfície estriada na dita primeira extremidade, e a dita porção de cobertura tem um segundo orifício (de passagem) que tem um formato que corresponde ao formato da dita superfície estriada na dita segunda extremidade.
[034] A dita porção de raiz pode compreender uma primeira manga que tem uma superfície externa correspondente à dita superfície estriada da dita porção de aerofólio na dita primeira extremidade. Nesse caso, a dita primeira manga pode ter um primeiro orifício de passagem definido lateralmente por uma superfície estriada.
[035] A dita porção de cobertura pode ter uma segunda manga que tem uma superfície externa correspondente à dita superfície estriada da dita porção de aerofólio na dita segunda extremidade. Nesse caso, a dita segunda manga pode ter um segundo orifício de passagem definido lateralmente por uma superfície estriada.
[036] A pá pode compreender uma única porção de raiz, uma única porção de cobertura e uma pluralidade de porções de aerofólio, em que cada uma das ditas porções de aerofólio se estende longitudinalmente por um comprimento e tem uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, sendo cada uma das ditas primeiras extremidades adjacentes à dita porção de raiz e sendo cada uma das ditas segundas extremidades adjacentes à dita porção de cobertura, em que cada uma das ditas porções de aerofólio é definida lateralmente por uma superfície de aerofólio, em que cada uma das ditas porções de aerofólio tem uma cavidade interna que se estende integralmente ao longo do dito comprimento, e em que a dita cavidade interna é definida lateralmente por uma superfície estriada.
[037] A dita porção de raiz pode ser ou pode compreender uma placa, sendo que a dita placa é substancialmente plana ou curva e tem um orifício.
[038] A dita porção de cobertura pode ser ou pode compreender uma placa, sendo que a dita placa é substancialmente plana ou curva e tem um orifício.
[039] A dita porção de aerofólio tipicamente tem orifícios ou ranhuras que se estendem a partir da dita superfície de aerofólio para a dita cavidade interna.
[040] Um segundo aspecto da presente invenção é uma turbomáquina.
[041] De acordo com as realizações da mesma, uma turbomáquina compreende uma pluralidade de pás, como definido acima.
[042] A turbomáquina pode ser disposta como uma turbina a vapor e que compreende uma pluralidade de pás do estator como definido acima (em particular, com uma cavidade interna definida lateralmente por uma superfície estriada e que integra uma porção de raiz, uma porção de cobertura e uma porção de aerofólio).
[043] A turbomáquina pode compreender uma pluralidade de estágios, em que as pás do estator como definidas acima (em particular, com uma cavidade interna definida lateralmente por uma superfície estriada e que integra uma porção de raiz, uma porção de cobertura e uma porção de aerofólio), são usadas apenas para os últimos estágios.
[044] A turbomáquina pode compreender uma pluralidade de estágios iniciando com um primeiro estágio e encerrando com um último estágio, em que (tipicamente apenas) o dito último estágio compreende uma pluralidade de pás do estator como definido acima (em particular, com uma cavidade interna definida lateralmente por uma superfície estriada e que integra uma porção de raiz, uma porção de cobertura e uma porção de aerofólio).
[045] A turbomáquina pode compreender um anel interno e uma pluralidade de pás do estator como definido acima, em que cada uma das porções de raiz das ditas pás do estator é fixa (isto é, soldada ou inserida e soldada ou encaixada sem folga e soldada) ao dito anel interno.
[046] A turbomáquina pode compreender um anel externo e uma pluralidade de pás do estator como definido acima, em que cada uma das porções de cobertura das ditas pás do estator é fixa (isto é, soldada ou inserida e soldadas e encaixadas sem folga e soldadas) ao dito anel externo.
[047] A turbomáquina pode ser uma turbina de fluxo axial.
[048] Um terceiro aspecto da presente invenção é um método de produção de uma pá de uma turbomáquina.
[049] De acordo com as realizações da mesma, um método de produção de uma pá de uma turbomáquina que compreende uma porção de aerofólio, pelo menos uma superfície externa ou superfície interna da dita porção de aerofólio é obtida por usinagem por eletroerosão a fio.
[050] A dita porção de aerofólio pode se estender longitudinalmente por um comprimento e ter uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, em que a dita porção de aerofólio pode ser definida lateralmente por uma superfície de aerofólio, e em que a dita superfície de aerofólio pode ser obtida por usinagem por eletroerosão a fio.
[051] A dita porção de aerofólio pode se estender longitudinalmente por um comprimento e ter uma primeira e uma segunda extremidade, sendo que a dita porção de aerofólio é definida lateralmente por uma superfície de aerofólio, sendo que a dita porção de aerofólio pode ter uma cavidade interna que se estende integralmente ao longo do comprimento, sendo que a dita cavidade interna pode ser definida lateralmente por uma superfície estriada, e sendo que a dita superfície interna e pode ser obtida por usinagem por eletroerosão a fio.
[052] O método de produção pode compreender as etapas de: A) fornecer uma barra produzida a partir de metal B) laminar a dita barra externamente, e C) usinar por eletroerosão a fio a dita barra internamente, de modo que um orifício de passagem seja obtido definido por uma superfície estriada.
[053] O dito orifício de passagem pode ter um comprimento maior que 50 mm e menor do que 1.000 mm.
[054] O método de produção pode compreender uma etapa adicional de forjamento da dita barra, antes de laminá-la.
[055] Através da etapa B, superfícies externas da dita porção de raiz, da dita porção de cobertura e da dita porção de aerofólio podem ser obtidas.
[056] Através da etapa B, apenas uma superfície externa da dita porção de aerofólio pode ser obtida.
[057] Na dita primeira extremidade há um primeiro deslocamento entre a dita superfície de aerofólio e a dita superfície estriada e em que a etapa C pode ser executada de modo que o dito primeiro deslocamento seja constante.
[058] Na dita segunda extremidade, há um segundo deslocamento entre a dita superfície de aerofólio e a dita superfície estriada e em que a etapa C pode ser executada de modo que o dito segundo deslocamento seja constante.
[059] A dita porção de raiz pode ser soldada (a laser) à dita porção de aerofólio na dita primeira extremidade.
[060] A dita porção de cobertura pode ser soldada (a laser) à dita porção de aerofólio na dita segunda extremidade.
[061] Uma pluralidade de porções de aerofólio pode ser soldada (a laser) à mesma porção de raiz.
[062] Uma pluralidade de porções de aerofólio pode ser soldada (a laser) à mesma porção de cobertura.
[063] A dita porção de raiz e a dita porção de aerofólio podem ser submetidas à brasagem em conjunto na dita primeira e na dita segunda extremidades.
[064] A dita porção de cobertura e a dita porção de aerofólio podem ser submetidas à brasagem em conjunto na dita segunda extremidade.
[065] A dita porção de raiz pode ter um primeiro orifício de passagem, e o dito primeiro orifício de passagem pode ser obtido por usinagem por eletroerosão a fio.
[066] A dita porção de cobertura pode ter um segundo orifício de passagem, e o dito segundo orifício de passagem pode ser obtido por usinagem por eletroerosão a fio.
[067] A dita porção de raiz pode ser soldada (a laser) a um anel interno de uma turbina a vapor.
[068] A dita porção de cobertura pode ser soldada (a laser) a um anel externo de uma turbina a vapor.
[069] Através da etapa B, pelo menos uma superfície externa da dita porção de aerofólio pode ser obtida; nesse caso, a etapa adicional de produzir orifícios ou ranhuras (transversais) que se estendem a partir da dita superfície externa para o dito orifício de passagem (longitudinal) é realizada após a etapa C. Os ditos orifícios ou ranhuras são obtidos de forma vantajosa por usinagem por eletroerosão.
[070] Através da etapa B, pelo menos uma superfície externa da dita porção de aerofólio pode ser obtida; nesse caso, a etapa adicional de produzir orifícios ou ranhuras (transversais) que se estendem a partir da dita superfície externa para o dito orifício de passagem (longitudinal) é realizada antes da etapa C. Os ditos orifícios ou ranhuras são obtidos de forma vantajosa por perfuração ou corte a laser.
[071] Os desenhos anexos, que são incorporados no presente documento e constituem uma parte do relatório descritivo, ilustram realizações da presente invenção e, juntamente com a descrição, explicam essas realizações.
[072] A Figura 1 mostra de forma muito esquemática um método de produção de uma pá vazada de turbina a vapor que pode ser implantada de acordo com o estado da técnica ou de acordo com a presente invenção.
[073] A Figura 2 mostra de forma muito esquemática um primeiro método de produção de uma pá vazada de turbina a vapor de acordo com a presente invenção.
[074] A Figura 3 mostra de forma muito esquemática um segundo método de produção de uma pá vazada de turbina a vapor de acordo com a presente invenção.
[075] A Figura 4 mostra de forma muito esquemática uma primeira possibilidade de montagem de uma pá vazada de turbina a vapor, de acordo com a presente invenção, seguindo o método mostrado na Figura 2.
[076] A Figura 5 mostra de forma muito esquemática uma segunda possibilidade de montagem de uma pá vazada de turbina a vapor, de acordo com a presente invenção, seguindo o método mostrado na Figura 2.
[077] A Figura 6 mostra de forma muito esquemática uma primeira possibilidade de montagem de um módulo de uma pá vazada de turbina a vapor, de acordo com a presente invenção.
[078] A Figura 7 mostra de forma muito esquemática e parcial, um primeiro estágio de turbina a vapor, de acordo com a presente invenção.
[079] A Figura 8 mostra de forma muito esquemática uma segunda possibilidade de montagem de um módulo de uma pá vazada de turbina a vapor, de acordo com a presente invenção.
[080] A Figura 9 mostra de forma muito esquemática e parcial, um segundo estágio de turbina a vapor, de acordo com a presente invenção.
[081] A descrição a seguir das realizações exemplificativas se refere aos desenhos anexos. Os mesmos números de referência em diferentes desenhos identificam os mesmos elementos ou elementos similares. A descrição detalhada a seguir não limita a invenção. Pelo contrário, o escopo da invenção é definido pelas reivindicações anexas.
[082] Deve-se notar que, nos desenhos anexos, por vezes, os tamanhos foram exagerados para fins de esclarecimento, em outras palavras, os mesmos não estão perfeitamente em escala entre si.
[083] A referência, ao longo do relatório descritivo, a "uma (1) realização" ou a "uma realização" significa que uma determinada qualidade, estrutura ou característica descrita em relação a uma realização está incluída em pelo menos uma realização da matéria descrita. Dessa forma, a ocorrência das frases “em uma (1) realização” ou “em uma realização” em diversas partes do relatório descritivo não está se referindo, necessariamente, à mesma realização. Adicionalmente, as qualidades, estruturas ou características determinadas podem ser combinadas em qualquer maneira adequada, em uma ou mais realizações.
[084] As pás de uma turbomáquina (um compressor, um expansor, uma turbina, ...) consistem em, ou compreendem uma porção de aerofólio. A porção de aerofólio se estende longitudinalmente por um comprimento determinado, entre uma primeira extremidade e uma segunda extremidade; em geral, seu corte transversal varia ao longo de seu comprimento. A porção de aerofólio tem basicamente uma superfície a ser formada que é a “superfície lateral externa” ou “superfície de aerofólio” de uma pá que é muito importante para a operação de uma porção de aerofólio. Para determinadas aplicações, a porção de aerofólio é vazada, isto é, a mesma tem uma cavidade interna que, dependendo da aplicação específica e do modelo específico, se estende integralmente ou parcialmente ao longo de seu comprimento; por exemplo, na pá da Figura 2, a cavidade interna se estende ao longo de todo o comprimento da pá. A cavidade interna é definida lateralmente por uma superfície que pode ser denominada “superfície lateral interna” ou, simplesmente, “superfície interna” de uma pá; em general, o corte transversal da cavidade interna varia ao longo de seu comprimento; de qualquer forma, dependendo da aplicação específica e do modelo específico, a variação no corte transversal da cavidade interna pode ser diferente da variação no corte transversal de uma porção de aerofólio; em outras palavras, a espessura da parede lateral de uma porção de aerofólio pode variar ao longo de seu comprimento e mesmo, de ponto a ponto.
[085] De acordo com a presente invenção, pelo menos um exemplo de superfície externa ou interna de uma porção de aerofólio é obtida por usinagem por eletroerosão a fio, isto é, “EDM a fio”. Isso se aplica, particularmente, às pás de turbomáquinas para aplicações de “Petróleo e Gás”; para o último estágio de uma turbina a vapor, as pás do estator têm um comprimento na faixa de 50 mm até 1.000 mm.
[086] Uma primeira possibilidade é formar por EDM a fio apenas a superfície externa, isto é, a superfície de aerofólio; por exemplo, a EDM a fio pode ser usada, na Figura 1, para usinar a peça da Figura 1B e obter a peça da Figura 1C e, na Figura 2, usinar a peça da Figura 2A e obter a peça da Figura 2B.
[087] Uma segunda possibilidade é formar por EDM a fio apenas a superfície interna, isto é, a superfície da cavidade interna; por exemplo, a EDM a fio pode ser usada, na Figura 1, para usinar duas barras separadas e obter as duas peças da Figura 1A e, na Figura 2, usinar a peça da Figura 2B e obter a peça da Figura 2C.
[088] Uma terceira possibilidade é formar por EDM a fio, tanto a superfície externa quanto a superfície interna de uma porção de aerofólio.
[089] Por EDM a fio, apenas uma “superfície estriada” pode ser obtida; deve-se notar que, por esse termo, significa não apenas uma superfície estriada “simples”, mas também uma superfície estriada “complexa”, que deriva de uma combinação de duas ou mais superfícies estriadas, por exemplo, uma superfície ampla e cônica na parte inferior e uma superfície cilíndrica pequena na parte superior.
[090] Embora diversas superfícies diferentes possam ser obtidas por EDM a fio, caso essa tecnologia seja utilizada, o desenho da pá deve ser considerado; por exemplo, o objetivo deve ser encontrar formatos ideais das superfícies da pá que sejam superfícies estriadas exatas ou suficientemente próximos às superfícies estriadas. Caso não seja possível, a laminação pode ser utilizada em vez de EDM a fio; deve-se notar que, dependendo da aplicação específica, a necessidade de laminação, em vez de EDM a fio, pode se aplicar a qualquer uma das superfícies da pá. Certamente, a EDM a fio pode ser vantajosamente utilizada quando as precisões de formato e tamanho não são extremamente elevadas, tal como, para a superfície de uma cavidade interna de uma pá do estator de uma turbina a vapor.
[091] Com relação à Figura 2, um método de produção de uma pá 201, consistindo apenas em uma porção de aerofólio 202, compreende as etapas de: D) fornecer uma barra produzida a partir de metal (Figura 2A) E) laminar a barra externamente (Figura 2B), e F) usinar por eletroerosão a fio a barra internamente, de modo que um orifício de passagem 205 seja obtido definido por uma superfície estriada (Figura 2C).
[092] Com relação à Figura 3, um método de produção de uma pá 301 compreende as etapas de: fornecer uma barra produzida a partir de metal, forjar a barra (Figura 3A), laminar a barra externamente (Figura 3B), e usinar por eletroerosão a fio a barra internamente, de modo que um orifício de passagem 305 seja obtido definido por uma superfície estriada (Figura 3C).
[093] De acordo com a realização da Figura 3, ao primeiramente forjar e depois laminar, não apenas a superfície externa de uma porção de aerofólio 302 é obtida, mas também as superfícies externas de uma porção de raiz 303 e uma porção de cobertura 304, ambas adjacentes à porção de aerofólio 302; o orifício de passagem 305 se estende não apenas ao longo de todo o comprimento da porção de aerofólio 302, mas também dentro da porção de raiz 303 e da porção de cobertura 304; nesse caso, a porção de raiz e a porção de cobertura são integrais com a porção de aerofólio.
[094] De acordo com essas realizações da presente invenção, em que a porção de aerofólio não é integral com a porção de raiz e a porção de cobertura, uma etapa do método de produção é usada para formar apenas a superfície externa de uma porção de aerofólio (consulte, por exemplo, Figura 2B).
[095] Nesse caso, em uma primeira extremidade (2021, na Figura 2C) da porção de aerofólio, há um primeiro deslocamento entre a superfície de aerofólio e a superfície estriada, e a EDM a fio pode ser realizada, de modo que o primeiro deslocamento seja constante.
[096] Nesse caso, em uma segunda extremidade (2022, na Figura 2C) da porção de aerofólio, há um segundo deslocamento entre a superfície de aerofólio e a superfície estriada, e a EDM a fio pode ser realizada, de modo que o segundo deslocamento seja constante.
[097] Tipicamente, essas duas características são implantadas em conjunto.
[098] A realização da Figura 4 é uma pá 401 que compreende uma porção de aerofólio 402, uma porção de raiz 403 e uma porção de cobertura 404; a porção de aerofólio 402 pode ser produzida de forma semelhante à porção de aerofólio 202 na Figura 2.
[099] A porção de raiz 403 é soldada, de forma vantajosa, à porção de aerofólio 402 em uma primeira extremidade 4021 da mesma.
[0100] A porção de cobertura 404 é soldada, de forma vantajosa, à porção de aerofólio 402 em uma segunda extremidade 4022 da mesma.
[0101] Uma abordagem de produção semelhante é utilizada para a pá 601 na Figura 6. Nesse caso, a pá compreende uma pluralidade de porções de aerofólio 602 (consulte Figura 6A), em particular, três (números adequados estão na faixa entre dois e cinco); as porções de aerofólio 602 são soldadas, de forma vantajosa, soldada a laser, em uma única e mesma porção de cobertura 604 (consulte Figura 6B); o mesmo é válido para uma única porção de raiz 603; desse modo, pás múltiplas ou “módulo de pá” 601 são obtidos (consulte Figura 6C). Deve-se notar que a porção de raiz 603 e a porção de cobertura 604 encontram-se na forma de placas curvas.
[0102] Uma forma alternativa de unir a porção de aerofólio em conjunto com a porção de raiz e/ou a porção de cobertura é realizada por meio de brasagem.
[0103] De acordo com a realização da Figura 5, uma pá 501 é obtida fornecendo-se uma porção de aerofólio 502, que pode ser similar à porção de aerofólio 202 da Figura 2, e submetendo a mesma à brasagem, em uma primeira extremidade 5021, para uma porção de raiz 503 e, em uma segunda extremidade 5022, para uma porção de cobertura 504.
[0104] De acordo com uma realização específica da Figura 5, a porção de raiz 503 compreende uma placa (substancialmente plana) 5031 e uma manga 5032; a manga 5032 é inserida dentro da cavidade interna 505 de uma porção de aerofólio 502. A manga 5032 tem preferencialmente uma superfície externa correspondente à superfície estriada da cavidade interna 505 da porção de aerofólio 502 na primeira extremidade 5021; desse modo, uma boa brasagem pode ser alcançada. Uma correspondência muito boa pode ser alcançada se a EDM a fio for usada para formar a superfície interna da cavidade interna 505 e laminação for usada para formar a superfície externa da manga 5032; de fato, as máquinas de EDM a fio e máquinas de laminação são “assistidas por computador” e, portanto, é possível definir o mesmo formato (ou dois formatos muito similares) para superfícies distintas de duas peças. Além disso, a manga 5032 é tipicamente vazada, como mostrado na Figura 5, e obtida por EDM a fio.
[0105] De acordo com a realização da Figura 5, uma pá 501 é obtida fornecendo-se uma porção de aerofólio 502, que pode ser similar à porção de aerofólio 202 da Figura 2, e submetendo a mesma à brasagem, em uma primeira extremidade 5021, para uma porção de raiz 503 e, em uma segunda extremidade 5022, para uma porção de cobertura 504.
[0106] De acordo com uma realização específica da Figura 5, a porção de cobertura 504 compreende uma placa (substancialmente plana) 5041 e uma manga 5042; a manga 5042 é inserida dentro da cavidade interna 505 de uma porção de aerofólio 502. A manga 5042 tem preferencialmente uma superfície externa correspondente à superfície estriada da cavidade interna 505 da porção de aerofólio 502 na primeira extremidade 5021; desse modo, uma boa brasagem pode ser alcançada. Uma correspondência muito boa pode ser alcançada se a EDM a fio for usada para formar a superfície interna da cavidade interna 505 e laminação for usada para formar a superfície externa da manga 5042; de fato, as máquinas de EDM a fio e máquinas de laminação são “assistidas por computador” e, portanto, é possível definir o mesmo formato (ou dois formatos muito similares) para superfícies distintas de duas peças. Além disso, a manga 5042 é tipicamente vazada, como mostrado na Figura 5, e obtida por EDM a fio.
[0107] A brasagem também pode ser usada em vez da soldagem para pás múltiplas ou "módulos de pás", como a mostrada na Figura 6.
[0108] Como uma alternativa à brasagem, por exemplo, na realização da Figura 5, uma cola adequada pode ser usada; a cola deve ser selecionada considerando-se as condições de operação da pá (por exemplo, temperatura, pressão, materiais fluidos, ...).
[0109] Uma ou cada uma das porções de raiz e a porção de cobertura podem ter um orifício de passagem; esse é o caso das realizações dos exemplos das Figuras 4, 5 e 6.
[0110] Nesses casos, por exemplo, esses orifícios de passagem podem ser obtidos por EDM a fio; desse modo, uma combinação perfeita pode ser alcançada entre o formato da cavidade interna da porção de aerofólio em uma extremidade e o formato do orifício da porção de raiz ou de cobertura, e uma soldagem perfeita pode ser realizada; de fato, as máquinas de EDM a fio são “assistidas por computador” e, portanto, é possível definir o mesmo formato (ou dois formatos muito similares) para elementos distintos.
[0111] A Figura 7 mostra uma aplicação da pá 401 da Figura 4; de forma alternativa, a pá 501 da Figura 5 ou as pás múltiplas ou “módulo de pá”, 601 da Figura 6 podem ser usados em vez da pá 401 da Figura 4. De acordo com essa realização, cada uma das porções de raiz 403 das pás 401 são soldadas, de forma vantajosa, são soldadas a laser, a um anel interno 708 de uma turbina, e cada uma das porções de cobertura 404 das pás 401 é soldada, de forma vantajosa, soldada a laser a um anel externo 709 de uma turbina; o acoplamento entre a porção de raiz ou porção de cobertura e o anel correspondente pode ser fornecido através de um encaixe sem folga ou simplesmente por um posicionamento de assento.
[0112] Especificamente, a Figura 7 mostra parcialmente a matriz das pás do estator do último estágio de uma turbina a vapor (de fluxo axial). Essa disposição é muito vantajosa a partir do ponto de vista da construção.
[0113] A Figura 8 mostra pás múltiplas ou “módulo de pá”, 807 correspondente a uma pluralidade de pás 301 da Figura 3 adjacentes um ao outro; as pás 301 podem ser soldadas juntas ou não.
[0114] A Figura 9 mostra uma aplicação das pás múltiplas ou "módulo de pá", 807 da Figura 8. De acordo com essa realização, cada uma das porções de raiz 303 das pás 301 é soldada, de forma vantajosa, soldada a laser a um anel interno 908 de uma turbina, e cada uma das porções de cobertura 304 das pás 301 é soldada, de forma vantajosa, soldada a laser a um anel externo 909 de uma turbina; o acoplamento entre a porção de raiz ou porção de cobertura e o anel correspondente pode ser fornecido, por exemplo, através de um formato complementar e uma inserção guiada (consulte Figura 9).
[0115] Especificamente, a Figura 9 mostra parcialmente a matriz das pás do estator do último estágio de uma turbina a vapor (de fluxo axial). Essa disposição é muito vantajosa a partir do ponto de vista da construção.
[0116] Caso a presente invenção seja usada para pás do estator de uma turbina a vapor, orifícios e/ou ranhuras são tipicamente fornecidos para sugar a condensação.
[0117] De acordo com uma primeira possibilidade, orifícios ou ranhuras transversais à pá e que se estendem a partir da superfície externa da porção de aerofólio à superfície interna da porção de aerofólio são feitos após a formação da cavidade interna da pá. Nesse caso, os orifícios ou ranhuras são obtidos por usinagem por eletroerosão.
[0118] De acordo com uma segunda possibilidade, orifícios ou ranhuras transversais à pá e que se estendem a partir da superfície externa da porção de aerofólio à superfície interna da porção de aerofólio são feitos formando, preferencialmente, a cavidade interna da pá. Nesse caso, os orifícios ou ranhuras são obtidos por perfuração ou corte a laser.
[0119] Os anéis internos 708 e 908 e os anéis externos 709 e 909 das Figuras 7 e 9 têm cavidades internas que se estendem em todo o entorno dos anéis e estão em comunicação com as cavidades internas das pás; tal solução pode ser usada para coletar a condensação ou para outros fins (por exemplo, a circulação de um fluido).
[0120] Com o uso de métodos de produção de acordo com a presente invenção, pás de turbomáquina inovadoras e inventivas são obtidas.
[0121] Essencialmente, pelo menos uma superfície externa ou interna da porção de aerofólio da pá é uma “superfície estriada”; deve-se notar que, por esse termo, não significa apenas uma superfície estriada “simples”, mas também uma superfície estriada “complexa” que deriva de uma combinação de duas ou mais superfícies estriadas.
[0122] Em aplicações típicas da presente invenção, a cavidade interna que se estende integralmente ao longo do comprimento da porção de aerofólio é definida lateralmente por uma superfície estriada (consulte, por exemplo, Figura 2).
[0123] A pá pode ser projetada de modo que, em qualquer ponto da porção de aerofólio, a distância (medida transversalmente à pá) entre a superfície externa e a superfície externa seja variável; em particular, essa distância é preferencialmente maior que 1 mm e menor que 5 mm.
[0124] Em uma primeira extremidade de uma porção de aerofólio, há um primeiro deslocamento entre a superfície externa e a superfície interna; esse primeiro deslocamento é vantajosamente constante e está preferencialmente na faixa entre 1 mm e 5 mm.
[0125] Em uma segunda primeira extremidade de uma porção de aerofólio, há um segundo deslocamento entre a superfície externa e a superfície interna; esse segundo deslocamento é vantajosamente constante e está preferencialmente na faixa entre 1 mm e 5 mm.
[0126] De acordo com realizações vantajosas, a porção de raiz, a porção de cobertura e a porção de aerofólio da pá estão em uma única peça; nesse caso, a superfície estriada da cavidade interna se estende também através da porção de raiz e da porção de cobertura (consulte, por exemplo, Figura 3).
[0127] De forma alternativa, a porção de raiz e a porção de cobertura são unidas a uma porção de aerofólio nas extremidades da mesma (consulte Figuras 4 e 5).
[0128] Nesse caso, a porção de raiz pode ter um primeiro orifício (de passagem) que tem um formato que corresponde ao formato da superfície estriada da cavidade interna na dita primeira extremidade, e a porção de cobertura pode ter um segundo orifício (de passagem) que tem um formato que corresponde ao formato da dita superfície estriada da cavidade interna na dita segunda extremidade (consulte Figura 4).
[0129] Ainda nesse caso, mas de acordo com um método de produção diferente, a porção de raiz compreende a primeira manga que tem uma superfície externa correspondente à superfície estriada da cavidade interna da porção de aerofólio na primeira extremidade, e a porção de cobertura tem uma segunda manga que tem um superfície externa correspondente à superfície estriada da cavidade interna da porção de aerofólio na segunda extremidade. Nesse caso, a primeira manga tem tipicamente um primeiro orifício de passagem definido lateralmente por uma superfície estriada e a segunda manga tem tipicamente um segundo orifício de passagem definido lateralmente por uma superfície estriada.
[0130] Os detalhes de construção descritos a pouco podem ser implantados não apenas em “pás únicas” (por exemplo 201 na Figura 2, 301 na Figura 3, 401 na Figura 4 e 501 na Figura), mas também em pás múltiplas ou “módulos de pá” (por exemplo, 601 na Figura 6 e 807 e Figura 8).
[0131] As pás descritas a pouco, sejam “pás únicas” ou “pás múltiplas” podem ser usadas de forma eficiente e eficaz em estágios de turbomáquinas (consulte, por exemplo, Figura 7 e Figura 9), em particular, em uma matriz de pá de estator dos últimos estágios, em particular, do último estágio, de uma turbina a vapor.
Claims (13)
1. MÉTODO DE PRODUÇÃO DE UMA PÁ (201) DE UMA TURBOMÁQUINA, compreendendo uma porção de aerofólio (202), em que a porção de aerofólio (202) se estender longitudinalmente por um comprimento e tem uma primeira (2021) e uma segunda extremidade (2022), sendo que a porção de aerofólio (202) é definida lateralmente por uma superfície de aerofólio, sendo que a porção de aerofólio (202) tem uma cavidade interna (205) que se estende integralmente ao longo do comprimento, sendo que a cavidade interna (205) é definida lateralmente por uma superfície estriada, e sendo que a superfície interna é obtida por usinagem por eletroerosão a fio e sendo que a cavidade interna (205) é definida lateralmente por uma superfície estriada; em que uma manga (5032, 5042) de pelo uma dentre uma porção de raiz (503) e uma porção de cobertura (504) ser inserida dentro da cavidade interna (205) da porção de aerofólio (202) com uma superfície externa da ou de cada manga (5032, 5042) ter uma superfície externa correspondente à superfície estriada da cavidade interna (205) da porção de aerofólio (202); caracterizado pelo método compreender adicionalmente unir a porção de aerofólio (202) junto com a pelo uma dentre a porção de raiz (503) e a porção de cobertura (504) por meio de solda, cola ou brasagem.
2. MÉTODO DE PRODUÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela porção de aerofólio (202) ser adjacente em um primeiro lado para uma porção de raiz (503) e em um segundo lado para uma porção de cobertura (504), e a usinagem por eletroerosão a fio é utilizada para criar um orifício de passagem tanto na porção de raiz (503) como na porção de cobertura (504), respectivamente, nas extremidades da cavidade interna (205).
3. Pá (201, 401, 501, 601) Para Uma Turbomáquina Caracterizada Por Ser Produzida Através Do Método, Conforme Definido Nas reivindicações 1 A 2.
4. PÁ (201, 401, 501, 601) de acordo com a reivindicação 3, caracterizada por compreender uma porção de aerofólio (202), em que a porção de aerofólio se estende longitudinalmente por um comprimento e tem uma primeira extremidade (2021) e uma segunda extremidade (2022), sendo que a porção de aerofólio (202) é definida lateralmente por uma superfície de aerofólio, sendo que a porção de aerofólio (202) tem uma cavidade interna (205) que se estende integralmente ao longo do comprimento e sendo que a cavidade interna (205) é definida lateralmente por uma superfície estriada.
5. PÁ (201, 401, 501, 601) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por ser disposta como uma pá de estator para uma turbina a vapor e compreendendo uma porção de raiz (403), uma porção de cobertura (404) e um aerofólio (402) que se estende longitudinalmente por um comprimento e tem uma primeira (4021) e uma segunda extremidade (4022), sendo a primeira extremidade (4021) adjacente à porção de raiz (403) e sendo a segunda extremidade (4022) adjacente à porção de cobertura (404), sendo que a porção de aerofólio (402) é definida lateralmente por uma superfície de aerofólio, sendo que a porção de aerofólio (402) tem uma cavidade interna (405) que se estende integralmente ao longo do comprimento e sendo que a cavidade interna (405) é definida lateralmente por uma superfície estriada.
6. PÁ (201, 401, 501, 601) de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 5, caracterizada por, em qualquer ponto da porção de aerofólio (202, 402), a distância entre a superfície de aerofólio e a superfície estriada ser variável.
7. PÁ (201, 401, 501, 601) de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 6, caracterizada pela primeira extremidade (2021, 4021), haver um primeiro deslocamento entre a superfície de aerofólio e a superfície estriada e na segunda extremidade (20221, 4022), haver um segundo deslocamento entre a superfície de aerofólio e a superfície estriada, sendo o primeiro deslocamento e/ou o segundo deslocamento constantes.
8. PÁ (201, 401, 501, 601) de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizada pela porção de raiz (403), a porção de cobertura (404) e a porção de aerofólio (402) estarem em uma única peça e em que a superfície estriada se estende também através da porção de raiz (403) e da porção de cobertura (404).
9. PÁ (201, 401, 501, 601) de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 8, caracterizada pela porção de raiz (403) e a porção de cobertura (404) serem unidas à porção de aerofólio (402) na primeira e na segunda extremidades (4021, 4022), em que a porção de raiz (403) tem um primeiro orifício que tem um formato correspondente ao formato da superfície estriada na primeira extremidade (4021), em que a porção de cobertura (404) tem um segundo orifício que tem um formato correspondente ao formato da superfície estriada na segunda extremidade (4022).
10. PÁ (201, 401, 501, 601) de acordo com a reivindicações 5 a 9, caracterizada pela porção de raiz (503) compreender uma primeira manga (5032) que tem uma superfície externa correspondente à superfície estriada da porção de aerofólio (502) na primeira extremidade e/ou em que a porção de cobertura (504) tem uma segunda manga (5042) que tem uma superfície externa correspondente à superfície estriada da porção de aerofólio (502) na segunda extremidade.
11. PÁ (201, 401, 501, 601) de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por uma ou cada uma dentre a primeira manga (5032) e a segunda manga (5042) ter um segundo orifício de passagem definido lateralmente por uma superfície estriada.
12. PÁ (201, 401, 501, 601) de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 11, caracterizada por compreender uma única porção de raiz (603), uma única porção de cobertura (604) e uma pluralidade de porções de aerofólio (602), em que cada uma das porções de aerofólio (602) se estende longitudinalmente por um comprimento e tem uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, sendo cada uma das primeiras extremidades adjacentes à porção de raiz (603) e sendo cada uma das segundas extremidades adjacentes à porção de cobertura (604), em que cada uma das porções de aerofólio (602) é definida lateralmente por uma superfície de aerofólio, em que cada uma das porções de aerofólio (602) tem uma cavidade interna que se estende integralmente ao longo do comprimento, e em que a cavidade interna é definida lateralmente por uma superfície estriada.
13. TURBOMÁQUINA, caracterizada por compreender uma pluralidade de pás, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 3 a 12.
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