BR112015018108B1

BR112015018108B1 - Método para a fabricação de um impulsor e impulsor para uma máquina de rotação centrífuga

Info

Publication number: BR112015018108B1
Application number: BR112015018108-2A
Authority: BR
Inventors: Sergio Palomba; Lorenzo LORENZI; Lorenzo Bianchi
Original assignee: Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2021-06-29
Also published as: US9945388B2; CA2900424A1; JP2016513209A; AT516473A2; EP2958701A1; JP6348516B2; WO2014128169A1; CN105209208B; BR112015018108B8; RU2661690C2; US20160003257A1; BR112015018108A2; KR20150120412A; RU2015133458A; ITCO20130004A1; CN105209208A

Abstract

método para a fabricação de impulsor e impulsor para máquina de rotação centrífuga. a invenção se refere a uma nova técnica de fabricação para impulsores (100) para máquina de rotação centrífuga. o impulsor (100) é feito pela composição de peças singulares de paletas que se encaixam à parte central ou diretamente ao eixo do rotor por soldagem, soldagem por atrito ou sistema de travamento mecânico. a capacidade de fabricação dos segmentos (100') é fácil, rápida e barata, e torna possível o uso de tecnologias avançadas de fabricação como fabricação aditiva do tipo de derretimento direto de metal a laser.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere a um método de fabricação de um impulsor para um compressor centrífugo.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Um impulsor para uma máquina de rotação centrífuga, como um compressor centrífugo, é geralmente composto por um corpo principal em formato quase em disco que tem uma superfície frontal e uma superfície posterior, em relação à direção do fluxo de fluido, dotado de um orifício central circular que se encaixa em uma parte central fixada a um eixo geométrico giratório, um invólucro que tem uma superfície frontal e uma superfície posterior que é disposto em um intervalo exterior do corpo principal e uma série de pás que unem a superfície frontal do corpo principal e a superfície posterior do invólucro. Uma série de passagens é formada através da superfície frontal do corpo principal, da superfície posterior do invólucro e das superfícies laterais das pás, sendo que as passagens servem como uma passagem de fluxo para compressão de ar. Em geral, as pás seguem uma linha curva que se flexiona nas direções radial e axial. A superfície frontal do corpo principal e a superfície posterior do invólucro se flexionam de acordo para acomodar a curvatura das pás. O fluxo de ar entra no impulsor tangencialmente à superfície frontal do corpo principal e sai do impulsor em uma direção axial. Um impulsor fechado pode ser fabricado a partir de uma peça sólida única de material ou pode, em vez disso, ser construída a partir de dois ou mais componentes, os quais são fixados entre si para formarem o produto finalizado. Em geral, os diversos componentes são fixados por soldagem. O impulsor pode ser construído a partir de uma peça sólida única através de fresagem completa, mas esse processo é longo e muito difícil, devido à acessibilidade limitada por conta do formato complexo das passagens de fluxo. O processo de Usinagem por Descargas Elétricas (EDM) também é uma opção para a fabricação de peça única por meio de erosão de remoção de metal por faísca elétrica. Nesse processo, uma faísca elétrica é usada como a ferramenta cortante para corroer o disco monolítico singular para produzir a parte finalizada para o formato do modelo. O processo de remoção de metal é realizado pela aplicação de uma carga elétrica pulsante (Ligada/Desligada) de corrente de alta frequência através do eletrodo até a peça de trabalho. Essa técnica envolve uma etapa de usinagem da peça única através de pré- fresagem seguida por desbaste por EDM e finalização por EDM. Pela razão dita anteriormente, os eletrodos em formato especial e as ferramentas em formato especial devem ser usadas para se adaptar ao modelo complexo de passagens. O processo é longo, e muitos dias de trabalho são necessários para produzir um único impulsor. O impulsor também pode ser produzido pela fabricação de dois primeiros componentes, isto é, pela obtenção das pás por meio de fresagem do corpo principal ou do invólucro e, subsequentemente, pela soldagem das duas partes. Com o preenchimento por soldagem, a junção interna entre pás e o corpo principal ou invólucro, devido à falta de boa acessibilidade, é muito difícil, e os defeitos de soldagem ocorrem facilmente na fixação e, desse modo, o risco de rachaduras e deformação, isto é, distorção térmica, devido às temperaturas localmente altas, pode se tornar muito alto. Além disso, as superfícies de passagem de fluxo não terão, em geral, a lisura exigida. Em definitivo, é muito difícil obter um impulsor com a qualidade alta e confiabilidade exigidas com o uso do conjunto de procedimentos do estado da técnica. Por esses motivos um método para fazer um impulsor que tem maior qualidade, que resulta em menor tempo de produção e menores custos é altamente necessário.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[003] Consequentemente, um objetivo principal da presente invenção é proporcionar um novo método de fabricação de um impulsor que seja simples e exija menores tempos de usinagem. Outro objetivo da presente invenção é um método para a fabricação de um impulsor que tenha qualidade e confiabilidade maiores.

[004] Um objetivo adicional da invenção é proporcionar um impulsor para compressor centrífugo que possibilite uma técnica de fabricação avançada.

[005] Ainda um outro escopo da invenção é fornecer um método que permite a fabricação de um impulsor que tem geometrias complexas.

[006] A presente invenção, então, alcança os objetivos discutidos acima por meio de um método de fabricação de um impulsor para uma máquina de rotação centrífuga que, de acordo com a reivindicação 1, é composto por um corpo principal com formato quase em disco que tem superfícies frontal e posterior, um invólucro que tem uma superfície frontal e uma superfície posterior dispostas de forma espaçada a partir da superfície frontal do corpo principal, uma pluralidade de pás, fixada à superfície frontal do corpo principal que une o corpo principal com o invólucro, as superfícies laterais das pás, a superfície frontal do corpo e a superfície posterior do invólucro que formam passagens de fluxo para compressão de ar, sendo que o método compreende fazer segmentos singulares do impulsor que consiste em uma pá singular, uma seção do corpo e a seção correspondente do invólucro, e, então, unir a pluralidade de segmentos para formar um impulsor.

[007] Um aspecto diferente da invenção proporciona um impulsor para uma máquina de rotação centrífuga de acordo com a reivindicação 11.

[008] De forma vantajosa, os segmentos singulares podem ser produzidos com o uso dos métodos de fabricação aditiva como Derretimento Direto de Metal a Laser (DMLM). De forma vantajosa, os segmentos singulares se unem através de soldagem ou soldagem por atrito. Os setores singulares também podem não ser unidos, mas fixados à parte central ou diretamente ao eixo por meios de junções mecânicas ou soldagem. De forma vantajosa, os setores singulares ou o impulsor inteiro podem ser fixados à parte central através de juntas mecânicas como juntas em cauda de andorinha.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[009] As características e vantagens adicionais da invenção se tornam mais aparentes à luz de uma descrição detalhada de uma realização preferencial (porém não exclusiva) de um impulsor para máquinas rotatórias, ilustrada por forma de exemplos não limitantes, com o auxílio de desenhos anexados nos quais: - A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um impulsor de acordo com a invenção; - A Figura 2 é uma vista explodida de um corte transversal de um impulsor antes de ser fixado à parte central; - A Figura 3 representa um corte transversal do impulsor unido à parte central; - A Figura 4 representa um segmento singular do impulsor montado na parte central; - A Figura 5 é uma vista em perspectiva de um segmento de um impulsor de acordo com outra realização da invenção; - A Figura 6 é uma vista em perspectiva de um impulsor que contém os segmentos mostrados na Figura 5.

[010] Os mesmos números de referência nas figuras identificam os mesmos elementos ou componentes.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[011] Em relação às Figuras 1 e 2, é mostrada uma representação em perspectiva de um impulsor 3D, indicado, de modo geral, com o número de referência 100. O impulsor 100 é formado pelo corpo principal em formato quase em disco 3 que tem uma superfície posterior e uma superfície frontal 7. A superfície frontal 7, que começa a partir de uma porção circular exterior quase plana e ao eixo geométrico giratório Z da máquina, se flexiona gradualmente em direção à região central na direção do eixo geométrico Z, sendo que a região central é uma abertura circular adaptada para combinar com a superfície externa da parte central 1 ou do eixo do rotor. O invólucro 5, que segue estritamente o formato da superfície frontal 7 do corpo 3, é separado dessa superfície frontal pelas pás 4. As passagens de ar 6, pelas quais o ar é comprimido, são formadas pela superfície interna do invólucro, pela superfície frontal 7 do corpo 3 e pelas superfícies laterais das pás 4. Nesse tipo de impulsor para um compressor centrífugo, o fluxo de ar entra pelas passagens tangencialmente à superfície plana do corpo em direção ao eixo geométrico giratório e sai em uma direção quase vertical, paralela ao dito eixo geométrico giratório da passagem circular formada entre a superfície frontal 7 do corpo e a superfície interna do invólucro. Na Figura 2, é mostrada uma vista explodida em corte desse tipo de impulsor com a parte central 1 mostrada como um elemento separado para ser inserido na região central do corpo 3. A parte central 1 é fixada ao eixo do rotor da máquina. A Figura 3 mostra o conjunto final do impulsor com a inserção da parte central 1. As pás 4 e, dessa forma, as passagens de ar 6, têm, de modo geral, um formato complexo. Conforme visto nas Figuras 1 e 2, as mesmas seguem uma trajetória encurvada não apenas na direção axial, como também são inclinadas para trás em relação à direção da rotação do impulsor. Essas características do impulsor tornam complexo e laborioso o trabalho de fresagem e soldagem, mesmo quando se usa ferramentas especiais adequadas para serem inseridas e operarem nessas passagens de ar 6. Essas dificuldades são prejudiciais à boa precisão, desbaste de superfície e ao tempo. A presente invenção se baseia no princípio de segmentação com o objetivo de superar essas desvantagens. A Figura 4 é uma representação de tal técnica. A ideia consiste essencialmente em produzir segmentos singulares de impulsor, sendo que cada segmento, por exemplo, contém uma pá singular, e então, compor os mesmos para montar o impulsor por soldagem ou por um sistema de travamento mecânico. Os segmentos podem ser unidos entre si ou podem ser fixados ao eixo separadamente. A referência 100’ na Figura 4 indica um desses segmentos para ser soldado à parte central 1. O segmento é composto pelo segmento de invólucro 5 e o segmento do corpo principal 3 unidos pela pá 4. Na Figura 4, também é possível ver o formato complexo das pás e das passagens. Através da segmentação, o problema de acessibilidade seria completamente resolvido. O impulsor pode ser feito pela união dos segmentos singulares 100’ por soldagem externa a laser, e então pela junção dos segmentos soldados à parte central ou diretamente ao eixo do rotor por deposição de transferência de metal a frio (CMT). Se segue uma etapa de aquecimento e torneamento para alcançar o produto finalizado.

[012] Também é possível fixar os segmentos singulares um a um à parte central, conforme é mostrado na Figura 4, ou diretamente ao eixo do rotor. O segmento 100’ pode ser fixado à parte central ou diretamente ao eixo do rotor, também por meio de um sistema de travamento mecânico, conforme é mostrado na Figura 5 e na Figura 6. Na Figura 5, é mostrado um segmento que tem um lado voltado para a superfície externa da parte central e uma chave em cauda de andorinha 8 com paredes laterais inclinadas. Essas chaves em cauda de andorinha 8 deslizam e engatam na ranhura em cauda de andorinha 10 correspondente, mostrada na Figura 6, formada na superfície externa da parte central. A Figura 6 mostra uma vista em corte em perspectiva de um impulsor produzido pelo uso desse sistema de travamento mecânico. O impulsor pode ser montado na parte central como uma peça única com os segmentos unidos por soldagem e, então, com o deslizamento da parte central no interior da parte central ou com deslizamento dos segmentos um a um no interior das ranhuras em cauda de andorinha da parte central. Quando se usa o sistema de travamento mecânico, o segmento singular pode ser dotado da ranhura 9 na superfície plana lateral posterior do corpo 3, Figura 5, Figura 6, de forma que quando o impulsor for montado, uma ranhura circular se forme, a qual pode ser dotada de um anel para prender juntos os segmentos. A fabricação de um segmento de pá singular não é apenas fácil, rápido e barato, como também permite o uso de tecnologias avançadas de fabricação, por exemplo, o uso de material compósito ou técnicas como Derretimento Direto de Metal a Laser (DMLM), onde um laser funde pó metálico em uma parte sólida tridimensional em um processo aditivo, camada por camada. Comparada com os vários dias necessários para fazer um impulsor por meio de tecnologia de estado da técnica, por exemplo, por Usinagem por Descargas Elétricas (EDM), que exige uma fase de pré-fresagem seguida por desbaste por EDM e finalização por EDM, a montagem de segmentos pré-fabricados de pá singular leva apenas poucas horas com economias consideráveis de tempo e custo, sem considerar a melhoria na qualidade. Fabricar o impulsor através da montagem de segmentos de pá singular, dada a simplicidade de fabricação e a versatilidade alta do processo, também permite o modelo e a fabricação de trajetória de fluxo avançada de alto desempenho de geometrias inovadoras que, no momento, ainda não são executáveis.

Claims

1. MÉTODO PARA A FABRICAÇÃO DE UM IMPULSOR (100), para máquina de rotação centrífuga, o impulsor (100) sendo composto por um corpo principal com formato em disco (3) que tem superfícies frontal e posterior, um invólucro (5) que tem superfícies frontal (7) e posterior dispostas de forma espaçada a partir da superfície frontal do corpo principal (3), uma pluralidade de pás (4) fixada à superfície frontal (7) do corpo principal (3) que une o corpo principal (3) ao invólucro (5), às superfícies laterais das pás (4), à superfície frontal (7) do corpo (3) e à superfície posterior do invólucro (5), o que resulta na formação de passagens de fluxo (6) para a compressão de ar, em que o método compreende a etapa de produzir, primeiramente, segmentos singulares (100’) do impulsor (100) incluindo uma pá singular (4), uma seção do corpo principal (3), e a seção correspondente do invólucro (5) e, sucessivamente, unir a pluralidade de segmentos (100’) para formar o impulsor (100); caracterizado pelos segmentos singulares (100’) serem fixados a uma parte central (1) ou diretamente ao eixo do rotor da máquina através de soldagem, ou soldagem por atrito ou por um sistema de travamento mecânico, em que o sistema de travamento mecânico compreende juntas em cauda de andorinha.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos segmentos (100’) serem unidos entre si através de soldagem, ou soldagem por atrito.

3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo impulsor (100) ser fixado a uma parte central (1) que é fixada a um eixo de rotor da máquina, ou ser fixado diretamente ao eixo do rotor.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo impulsor (100) ser fixado à parte central (1), ou diretamente fixado ao eixo do rotor por deposição de transferência de metal a frio.

5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo impulsor (100) ser fixado à parte central ou ao eixo do rotor por meio de juntas em cauda de andorinha.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelos segmentos (100’) serem presos juntos por um anel posicionado em uma ranhura (9) formada na superfície posterior do corpo principal (3).

7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reividncicações 1 a 6, caracterizado pelo segmento singular (100’) ser produzido por derretimento direto de metal a laser.

8. IMPULSOR (100) PARA UMA MÁQUINA DE ROTAÇÃO CENTRÍFUGA, o impulsor (100) sendo composto por um corpo principal com formato em disco (3), que tem superfícies frontal e posterior, um invólucro (5) que tem superfícies frontal (7) e posterior dispostas de forma espaçada da superfície frontal do corpo principal (3), uma pluralidade de pás (4) fixadas à superfície frontal (7) do corpo principal (3) unindo o corpo principal (3) ao invólucro, as superfícies laterais das pás (4), a superfície frontal (7) do corpo (3) e a superfície posterior do invólucro (5), o que resulta na formação de passagens de fluxo (6) para a compressão de ar, em que o impulsor é composto pelos segmentos singulares (100’) que consistem em uma pá singular (4), uma seção do corpo principal (3) e a seção correspondente do invólucro (5), em que os segmentos singulares (100’) se unem ou são fixados a uma parte central (1), ou diretamente a um eixo do rotor da máquina; caracterizado pelos segmentos singulares (100’) serem fixados à parte central (1) ou diretamente ao eixo do rotor da máquina através de soldagem, ou soldagem por atrito ou por um sistema de travamento mecânico, em que o sistema de travamento mecânico compreende juntas em cauda de andorinha.

9. IMPULSOR (100), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelos segmentos singulares (100’) terem uma chave em cauda de andorinha (8) com superfícies laterais inclinadas no lado voltado para a superfície externa da parte central (1).

10. IMPULSOR (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 9, caracterizado pela parte central (1) apresentar ranhuras em cauda de andorinha em sua superfície externa (10) com superfícies inclinadas em relação de correspondência com as chaves em cauda de andorinha (8) dos segmentos (100’).