BR112015012273B1

BR112015012273B1 - Método para a fabricação de uma base de pá de um motor de turbina, base de pá de motor de turbina, e, pá de motor de turbina

Info

Publication number: BR112015012273B1
Application number: BR112015012273-6A
Authority: BR
Inventors: Hubert Illand
Original assignee: Snecma
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2021-10-26
Also published as: FR2998827A1; WO2014087093A1; EP2929073A1; EP2929073B1; CN104812950A; RU2641927C2; JP2016504519A; FR2998827B1; CN104812950B; US20150315920A1; CA2892823A1; JP6333841B2; CA2892823C; US9555592B2; RU2015126857A; BR112015012273A2

Abstract

método para a fabricação de uma base de pá de um motor de turbina, base de pá de motor de turbina, pá de motor de turbina, e, motor de turbina. a invenção se refere a um método de fabricar uma base de pá de motor de turbina a partir de um material compósito compreendendo fazer uma faixa central de fibra (102) e duas faixas externas de fibra a partir de três conjuntos de camadas de fio têxtil (c10 a c19) interligados por tecelagem tridimensional, passando as duas faixas externas uma atravessando a outra dentro da faixa central, eliminando as porções das duas porções externas colocadas do lado de fora da faixa central cortando-as, conformando a peça bruta de fibra para obter uma pré-forma tendo uma porção principal formando uma pré-forma de base de pá integral com duas porções secundárias (104a, 106a) formando pré-formas de placa de apoio, e densificando a pré-forma densificada pela matriz. a invenção também provê uma base de pá obtida por tal método.

Description

Antecedentes da invenção

[001] A presente invenção se refere ao campo geral de fazer uma pá a partir de um material compósito para uma roda de rotor de um motor de turbina. A invenção se refere mais particularmente a fabricar a base de tal pá.

[002] O campo pretendido é o de pás de rotor para turbina a gás para aeromotores ou para turbinas industriais.

[003] Propostas já foram feitas para fazer pás para motor de turbinas a partir de material compósito, e em particular a partir de compósito de matriz de cerâmica (CMC). Referência pode ser feita em particular ao Documento FR 2 939 129, que descreve fabricar uma pá de motor de turbina a partir de um material compósito compreendendo reforço de fibra que é densificado por uma matriz. Com tal método, a pá resultante apresenta em particular uma base que é formada a partir de uma faixa de fibra se estendendo em uma direção que corresponde à direção longitudinal da pá.

[004] Adicionalmente, para montar tal pá de rotor com seu formato de lâmpada cooperando com uma fenda de formato complementar formada na periferia do disco de rotor para reter a pá radialmente no disco por meio de uma conexão em forma de rabo de andorinha.

[005] Quando uma pá é feita de material compósito, o formato de lâmpada da base da pá é geralmente obtido durante a tecelagem da peça bruta de fibra que é para constituir a pá pela formação de espessura extra na base da pá, esta espessura extra subsequentemente sendo usinada para os formatos finais da lâmpada. Na prática, a espessura extra é normalmente obtida pela adição de um inserto enquanto é feita a tecelagem da peça bruta de fibra.

[006] Porém, tal método para fabricar uma pá a partir de um material compósito com uma base conformada em lâmpada apresenta várias desvantagens. Fazer um inserto e colocá-lo em posição durante a tecelagem da peça bruta de fibra da pá são operações que são muito difíceis. Adicionalmente, a afixação da pá apresenta dificuldades de força mecânica e ela se degrada em fadiga por oxidação.

[007] Também conhecida, do Documento FR 2 941 487, é uma solução para montar uma pá de material compósito em um disco de rotor no qual a base da pá é apertada entre placas de metal que são presas juntas por meio de um peg soldado. Com esta solução, a força principal retendo a pá no disco de rotor é levada para cima por cisalhamento no peg e por compressão contra o furo no material compósito. Porém, diferenças em expansão entre metal da placa e o material compósito da base dá ascensão ou para tensões de cisalhamento térmicas se a preensão é rígida, ou para incerteza sobre o posicionamento das placas de apoio se a preensão é provida com folga.

Objeto e sumário da invenção

[008] Um objetivo principal da presente invenção é mitigar tais desvantagens propondo uma base de pá feita de material compósito na qual a afixação com um disco de rotor por uma conexão tipo rabo de andorinha não apresenta as desvantagens mencionadas acima.

[009] Este objetivo é alcançado por um método de fabricação de uma base de pá de motor de turbina de material compósito compreendendo reforço de fibra densificado por uma matriz, o método compreendendo fazer uma faixa central de fibra e duas faixas de fibra externas a partir de três conjuntos de camadas de fio têxtil interligadas por tecelagem tridimensional, as faixas de fibra se estendendo em uma direção comum correspondendo à direção longitudinal da base da pá a ser fabricada e os fios têxteis dos conjuntos de camada de fio têxtil não sendo interligados entre as várias faixas de fibra, passando as duas faixas externas através da faixa central com as outras duas faixas externas uma cruzando a outra dentro da faixa central, eliminando as porções das duas faixas externas colocadas do lado de fora da faixa central cortando-as para formar uma peça bruta de fibra de base de pá, conformando a peça bruta de fibra para obter a pré-forma de fibra tendo uma porção principal formando uma pré-forma de base de pá integral com duas porções secundárias formando pré-formas de placa de apoio, e densificando a pré-forma de fibra com uma matriz para obter uma base de pá feita de material compósito tendo reforço de fibra constituído pela pré-forma e densificado pela matriz.

[0010] Tal método de fabricação permite que uma base de pá seja obtida tendo placas de apoio que possam suportar cargas pesadas com menos deformação. As forças do disco de rotor nestas placas de apoio atuam na direção dos fios têxteis das porções de faixa de fibra constituindo a placa de apoio. Em particular, estas forças não conduzem as camadas de fio têxtil a serem achatadas. A duração da base de pá é aumentada por um dado tempo.

[0011] Adicionalmente, este método de fabricação evita ter que recorrer ao uso de um inserto durante a tecelagem da peça bruta de fibra com o propósito de dar à base seu formato de lâmpada. Isto simplifica o método, alcança maior robustez, e faz com que seja possível densificar a pré-forma sem exceder significantemente a espessura da faixa central, e alcança economia em termos de ciclos de fabricação e custos.

[0012] Vantajosamente, as duas faixas externas passam através da faixa central em direções formando um ângulo colocado na faixa de 15° a 75°, e preferivelmente igual a 45°, com relação à direção da faixa central.

[0013] A faixa central também pode ser usada para fazer uma pré- forma de fibra para um aerofólio de pá. Da mesma forma, pelo menos uma das faixas externas pode ser usada para fazer uma pré-forma de fibra para uma plataforma de pá interna e/ou externa.

[0014] As faixas de fibra podem ser tecidas com suas direções longitudinais que correspondem à direção da base de pá que deve ser fabricada se estendendo na direção do empenamento. Alternativamente, as faixas de fibra podem ser tecidas com suas direções longitudinais que correspondem à direção longitudinal que corresponde à direção da base de pá que deve ser fabricada se estendendo na direção da trama.

[0015] Consequentemente, a invenção provê uma base de pá de motor de turbina feita de material compósito compreendendo reforço de fibra densificado por uma matriz, a base de pá sendo designada pelo fato de que inclui uma porção constituindo base de pá integralmente formadas com duas porções constituindo placas de apoio, as duas porções constituindo placa de apoio passando através de porção constituindo base de pá com as porções constituindo placa de apoio se cruzando dentro da porção constituindo a base da pá.

[0016] A base de pá pode ser feita de material compósito de matriz de cerâmica.

[0017] A invenção também provê uma pá de motor de turbina tendo uma base de pá como definida acima ou fabricada usando o método como definido acima. A invenção também provê um motor de turbina encaixado com pelo menos uma tal pá.

Breve descrição do desenho

[0018] Outras características e vantagens da presente invenção aparecem da seguinte descrição feita com referência aos desenhos anexos, que mostram uma implementação sem caráter de limitação. Nas figuras:

[0019] Figura 1 é uma vista de uma base de pá da invenção montada em um disco de rotor;

[0020] Figura 2 é uma vista altamente diagramática mostrando o arranjo de três faixas de fibra para fazer uma peça bruta de fibra para fabricar a base de pá da Figura 1; e

[0021] Figura 3 é uma vista diagramática da peça bruta de fibra obtida pelo arranjo da Figura 2.

Descrição detalhada da invenção

[0022] A invenção é aplicável a várias pás feitas de material compósito para um motor de turbina, e em particular ao compressor e às pás de turbina de vários carretéis de um motor de turbina a gás, por exemplo, para as pás de uma turbina de baixa pressão, tal que as pás mostradas em parte na Figura 1.

[0023] De uma maneira conhecida, a pá 10 mostrada nesta figura compreende um aerofólio 12, uma base 14, e uma plataforma 16 situadas entre a base 14 e o aerofólio 12. A pá poderia também ter uma plataforma externa (não mostrada) na vizinhança de sua extremidade livre (ou ponta).

[0024] O aerofólio 12 da pá tem um perfil aerodinâmico curvado que se estende (na direção longitudinal) a partir da plataforma 16 até sua ponta. Este perfil é de espessura variável e é formado com uma superfície lateral de pressão e uma superfície lateral de sucção que se juntam transversalmente via uma borda dianteira e via uma borda posterior (não mostrada).

[0025] Neste exemplo, a base 14 da pá está no formato de uma lâmpada e é para montar em uma fenda 18 formada na periferia de um disco de rotor 20 via uma conexão do tipo rabo de andorinha.

[0026] A pá 10 e sua base 14 são feitas de material compósito, e preferivelmente de material compósito de matriz de cerâmica (CMC). Como forma de exemplo, referência pode ser feita ao pedido internacional de patente WO 2010/061140, que descreve um exemplo de fabricação de uma pá de motor de turbina fazendo uma pré-forma de aerofólio por tecelagem tridimensional e densificando a pré-forma com uma matriz.

[0027] Mais particularmente, aquele método provê o uso de tecelagem tridimensional para fazer uma peça bruta de fibra única, conformando a peça bruta de fibra para obter uma pré-forma de fibra única tendo uma primeira porção formando um aerofólio de pá e pré-forma de base, e pelo menos uma segunda porção formando uma pré-forma para uma plataforma interna ou externa da pá, e então densificar a pré-forma com uma matriz. Este método permite que uma pá seja obtida que é feita a partir de material compósito tendo reforço de fibra constituído pela pré-forma e densificada pela matriz, e formando uma peça única com pelo menos uma plataforma incorporada na mesma.

[0028] Figuras 2 e 3 são altamente diagramáticas e mostram como fazer uma peça bruta de fibra a partir da qual uma pré-forma de fibra 100 para uma base de pá pode ser conformada de forma que, após ser densificada e possivelmente também usinada, uma base é obtida para uma pá do tipo mostrado na Figura 1.

[0029] A peça bruta é feita de três faixas de fibra, cada uma obtida por tecelagem tridimensional ou tecelagem de multicamada, isto é, uma faixa central 102 rodeada por duas faixas externas 104 e 106. Estas três faixas de fibra se estendem geralmente em uma direção X correspondendo à direção longitudinal da base a ser fabricada.

[0030] Neste exemplo, acredita-se que a tecelagem das faixas de fibra 102, 104 e 106 é executada com fios têxteis de empenamento se estendendo na direção longitudinal X da base a ser fabricada, sendo observado que a tecelagem com fios têxteis de trama se estendendo nesta direção também é possível.

[0031] Adicionalmente, no exemplo da Figura 2, a faixa central 102 compreende um conjunto de camadas de fio têxtil de empenamento, com o número destas camadas neste exemplo sendo igual a nove (camadas c1 a c9). No que diz respeito às faixas externas 104 e 106, cada uma delas compreende um conjunto de fio têxtil de empenamento igual a cinco (camadas c10 a c14 para a faixa externa 104 e camadas c15 a c19 para a camada externa 106).

[0032] Os fios têxteis de empenamento dos conjuntos de camadas de fio têxtil formando a faixa central 102 e as duas faixas externas 104 e 106 são interligadas pela tecelagem tridimensional usando os respectivos fios têxteis de empenamento, dadas respectivas referências t1, t2 e t3. É possível usar vários tipos de tecelagem tridimensional.

[0033] Quando fabricando uma pá usando o método descrito no Documento WO 2010/061140, a faixa central 102 é vantajosamente usada para fazer a porção que, após conformação, é para constituir uma porção de pré-forma de pá correspondendo à pré-forma de aerofólio. Igualmente, uma das duas faixas externas pode ser vantajosamente usada para fazer a porção que, após conformação, deve constituir uma porção de pré-forma de pá correspondendo à pré-forma de plataforma.

[0034] Além da porção da faixa central 102 que, após conformação, deve constituir a porção de pré-forma de pá correspondendo à pré-forma de aerofólio, cada uma das faixas externas 104 e 106 passa através da faixa central 102 de forma a emergir da lateral da faixa central oposta à lateral de sua inserção. Adicionalmente, neste movimento de passar através da faixa central, estas outras faixas se cruzam dentro da faixa central.

[0035] Isto produz um cruzamento conformado em X das duas faixas externas 104 e 106 dentro da faixa central 102, com a faixa externa sendo intertrocada além da zona da peça bruta de fibra que correspondem às mesmas passando através da faixa central.

[0036] Deve ser observado que os fios têxteis dos vários conjuntos de camadas de fio têxtil formando a faixa central 102 e as duas faixas externas 104 e 106 não são interligados à frente ou além da zona da peça bruta de fibra correspondendo às duas faixas externas passando através da faixa central.

[0037] As duas faixas centrais 104 e 106 passam através da faixa central 102 em direções formando um ângulo α colocado na faixa de 15° a 75° com relação à direção X da faixa central. Preferivelmente, este ângulo α é igual a 45°.

[0038] As fixas de fibra são então cortadas, como segue. A fibra central 102 é cortada um pouco além da zona correspondendo às duas faixas externas uma cruzando a outra. As faixas externas 104 e 106 são cortadas primeiramente em nível com as respectivas faces da faixa central através da qual elas emergem após o cruzamento (as porções externas da faixa central são cortadas), e em segundo lugar, à frente da zona correspondendo a passar através da faixa central para deixar segmentos de faixa 104a e 106a sobrando em um dos lados da faixa central (Figura 3).

[0039] Uma pré-forma de fibra 100 para a base de pá deve ser fabricada e depois obtida através da moldagem de forma a formar uma pré- forma com uma porção principal formando uma pré-forma de base integralmente com duas porções secundárias correspondendo aos segmentos de faixa 104a e 106a e formando pré-formas de placa de apoio. Após a moldagem, os segmentos de faixa 104 a e 106a formam um ângulo colocado na faixa de 15° a 75° com relação à direção longitudinal da pá.

[0040] Após a usinagem, onde necessário, a pré-forma da base da pá é densificada com uma matriz para obter uma base de pá feita de material compósito tendo reforço de fibra constituído pela pré-forma e densificado pela matriz.

[0041] No contexto da fabricação de uma pá usando o método descrito no Documento WO 2010/061140, deve ser observado que a pré- forma da base de pá 100 é vantajosamente formada como uma peça única com a porção da pré-forma que corresponde à pré-forma de aerofólio.

Claims

1. Método para a fabricação de uma base de pá (14) de um motor de turbina, o método compreendendo:densificar uma pré-forma de fibra (100) com uma matriz para obter uma base de pá (14) feita de material compósito tendo reforço de fibra constituído pela pré-forma e densificado pela matriz,caracterizado pelo fato de que o método compreende ainda:fazer uma faixa de fibra central (102) e duas outras faixas de fibra externas (104, 106) a partir destes três conjuntos de camadas de fio têxtil (c1 a c9, c10 a c14, c15 a c19) interligados por tecelagem tridimensional, as faixas de fibra se estendendo em uma direção comum correspondendo à direção longitudinal da base de pá a ser fabricada e os fios têxteis dos conjuntos de camada de fio têxtil não sendo interligados entre as várias faixas de fibra;passar as duas faixas externas (104, 106) através da faixa central (102) com as duas faixas externas uma cruzando a outra dentro da faixa central; eeliminar as porções das duas faixas externas colocadas do lado de fora da faixa central cortando-as para formar uma peça bruta de fibra de base de pá;conformar a peça bruta de fibra para obter uma pré-forma de fibra tendo uma porção principal formando uma pré-forma de base de pá integral às duas porções secundárias (104a, 106a) formando pré-formas de placa de apoio.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as faixas externas (104, 106) passam através da faixa central (102) em direções formando um ângulo (α) colocado na faixa de 15° a 75° com relação à direção da faixa central.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que as duas faixas externas (104, 106) passam através da faixa central (102) em direções formando um ângulo (α) de 45° com relação à direção da faixa central.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a faixa central (102) também é usada para fazer uma pré-forma de fibra para um aerofólio de pá (12).

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das faixas externas (104, 106) também é usada para fazer uma pré-forma de fibra para uma plataforma de pá (16).

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que as faixas de fibra (102, 104, 106) são tecidas com suas direções longitudinais (X) que correspondem à direção da base da pá (14) devem ser fabricadas se estendendo na direção de empenamento.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que as faixas de fibra (102, 104, 106) são tecidas com suas direções longitudinais (X) que correspondem à direção da base de pá (14) que deve ser fabricada se estendendo na direção da trama.

8. Base de pá de motor de turbina (14) fabricada usando o método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, a base de pá de motor de turbina (14) sendo feita de material compósito compreendendo reforço de fibra densificado por uma matriz, a base de pá incluindo uma porção constituindo a base de pá integralmente formada com duas porções constituindo a placa de apoio, caracterizado pelo fato de que a porção constituindo a base de pá (14) inclui uma faixa de fibra central (102) constituída por um primeiro conjunto de camada de fio têxtil (c1 a c9) interligados por tecelagem tridimensional, as porções constituindo a placa de apoio incluindo, respectivamente, uma primeira e segunda faixa de fibra externa (104, 106) constituídas respectivamente por um segundo conjunto de camada de fio têxtil (c10 a c14) interligados por tecelagem tridimensional e um terceiro conjunto de camada de fio têxtil (c15 a c19) interligado por tecelagem tridimensional, os fios têxteis dos primeiro, segundo e terceiro conjuntos de camada de fio têxtil (c1 a c9, c10 a c14, c15 a c19) não sendo interligados entre a faixa de fibra central (102) e as primeira e segunda faixas de fibra externas (104, 106), o primeiro conjunto de camada de fio têxtil (c1 a c9) da faixa de fibra central (102) tendo os fios têxteis do segundo conjunto de camada de fio têxtil (c10 a c14) e do terceiro conjunto de camada de fio têxtil (c15 a c19) cruzando pelo mesmo com as duas fibras externas cruzando uma a outra dentro da faixa de fibra central (102).

9. Base de pá (14) de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que as duas porções constituindo a placa de apoio formam um ângulo que se encontra na faixa de 15° a 75° com a porção constituindo a base de pá (14).

10. Base de pá (14) de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que as duas porções constituindo a placa de apoio formam um ângulo de 45° com a porção constituindo a placa de apoio.

11. Base de pá (14) de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizada pelo fato de que a base de pá (14) é feita de um material compósito de matriz de cerâmica.

12. Pá de motor de turbina (10), caracterizada pelo fato de que tem uma base de pá (14) como definida em qualquer uma das reivindicações 8 a 11.