BR112016007445B1 - Montagem de compactação para compactar uma pré-forma tecida, método para fabricar uma pá compósita de turbomáquina, pá compósita de turbomáquina, e, turbomáquina - Google Patents

Montagem de compactação para compactar uma pré-forma tecida, método para fabricar uma pá compósita de turbomáquina, pá compósita de turbomáquina, e, turbomáquina Download PDF

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Abstract

montagem de compactação e método para fabricar uma pá compósita de turbomáquina. trata-se de uma montagem de compactação que compreende um molde modelador (24) que delimita um alojamento aberto no topo com capacidade para receber uma pré-forma tecida (10a) pré-cortada e uma ferramenta de compactação (128) que tem capacidade para se mover verticalmente e que forma, junto com o molde modelador (24), uma montagem de compactação para compactar a dita pré-forma colocada anteriormente no alojamento. a ferramenta de compactação (128) compreende pelo menos uma porção de raiz (128a). a invenção é aplicável para fabricar pás compósitas de turbomáquina.

Description

CAMPO DA TÉCNICA
[0001] A presente revelação refere-se a uma montagem de compactação e a um método para fabricar uma pá compósita de turbomáquina, assim como uma pá compósita de turbomáquina. A pá compósita pode ser uma pá do tipo que compreende uma pré-forma feita de fios ou fibras tecidos tridimensionalmente e um aglutinante que mantém o posicionamento relativo entre os fios da pré-forma. A dita pré-forma pode compreender fios de urdidura e fios entrelaçados, sendo que a direção dos fios de urdidura forma a direção longitudinal da pré-forma.
[0002] Em particular, o presente método se refere a fabricar uma pá de ventoinha para uma turbomáquina, em particular um turbojato. No entanto, também é previsto fabricar uma pá para uso em um compressor de baixa pressão, em que as temperaturas alcançadas em operação são compatíveis com a resistência a temperatura alta desse tipo de pá. Também é prevista a fabricação de pás para uma unducted fan (ou de “rotor aberto”) ou de fato pás que têm plataformas incorporadas nas mesmas.
FUNDAMENTOS
[0003] De maneira convencional, as pás de ventoinha feitas de material compósito, em particular de fibras de carbono, são produzidas a partir de uma pilha de dobras unidirecionais pré-impregnadas que são colocadas em um molde com dobras sucessivas que têm diferentes orientações, antes da compactação e à polimerização em uma autoclave. Essa técnica é bastante difícil e necessita que operações de empilhamento de dobras sejam realizadas manualmente, o que é demorado e caro.
[0004] Propostas também foram feitas para preparar pré-formas tecidas de fibras secas que são montadas subsequentemente umas às outras através de costura, antes de serem impregnadas injetando-se uma resina em um molde fechado. Uma alternativa consistiu em produzir uma única pré-forma tecida que é montada junto com um ou mais insertos sólidos antes da injeção. Essas soluções (documentos de patente n° U.S. 5 672 417 e U.S. 5 013 216), no entanto, apresentam as desvantagens de exigir que uma pluralidade de partes sejam montadas umas às outras e de criar, dentro de tais zonas de montagem, sítios que são particularmente suscetíveis a serem fracos, por exemplo, como resultado de delaminação, que é bastante prejudicial em termos de resistência mecânica, em particular para a habilidade de resistir a impactos.
[0005] A fim de superar essas desvantagens, o documento de patente n° FR 2 861 143 propõe produzir uma pré-forma de fios ou fibras tecidos tridimensionalmente que torna possível, por conta própria, possivelmente após ser recortada e ter um aglutinante injetado na mesma, formar a parte final que forma todas as porções da pá de turbomáquina, sem recorrer a insertos ou qualquer outro elemento encaixado.
[0006] Em particular, é feito uso do método de fabricação descrito no documento de patente n° FR 2 892 339, durante o qual a pré-forma tecida e então recortada é colocada em um molde antes da injeção do aglutinante e, então, procedendo seu endurecimento.
[0007] No entanto, no presente, vários problemas permanecem associados à forma em que a moldagem é implantada.
SUMÁRIO GERAL
[0008] A presente revelação se refere a uma montagem de compactação que torna possível evitar as desvantagens mencionadas acima. Em particular, a montagem de compactação torna possível realizar a pré-compactação da pré-forma.
[0009] A montagem de compactação pode ser usada em uma pré-forma obtida tecendo-se tridimensionalmente fios a fim de formar uma pá compósita de turbomáquina, sendo que a dita pré-forma compreende simultaneamente o aerofólio, a raiz da pá e, entre o aerofólio e a raiz, a espiga da pá.
[0010] A montagem de compactação compreende um molde modelador que define um alojamento aberto para cima para receber uma pré-forma tecida (que pode ter sido anteriormente recortada) e uma ferramenta de compactação verticalmente móvel que coopera com o molde modelador a fim de formar uma montagem de compactação que permite que a dita pré-forma seja compactada quando for colocada no alojamento.
[0011] A montagem de compactação pode definir uma direção longitudinal e um plano médio vertical paralelo à direção longitudinal.
[0012] A ferramenta de compactação pode ser configurada para se mover para baixo em direção ao molde modelador.
[0013] A ferramenta de compactação tem pelo menos uma porção de raiz. A título de exemplo, a ferramenta de compactação pode compreender apenas uma porção de raiz, ou pode compreender tanto uma porção de raiz quanto uma porção de espiga. Sob tais circunstâncias, as porções de raiz e de espiga podem formar um único bloco, ou do contrário podem ser separadas uma da outra. Quando são separadas, a porção de espiga pode a própria ser subdividida em pelo menos três blocos de compactação separados, incluindo um bloco de compactação central, sendo que os ditos blocos de compactação são configurados para se moverem para baixo em direção ao molde modelador de maneira independente. Em particular, os blocos de compactação podem ser rebaixados de maneira sequencial, começando com o bloco de compactação central.
[0014] A presente revelação também se refere a um método para fabricar uma pá compósita de turbomáquina usando-se uma montagem de compactação e também se refere a uma pá compósita de turbomáquina.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[0015] Outras vantagens e características da invenção aparecem na leitura da descrição a seguir feita com referência aos desenhos em anexo, em que:- A Figura 1 é uma vista geral em perspectiva de uma pré-forma exemplificativa, após ser recortada;- A Figura 2 mostra uma etapa de fabricação em um método exemplificativo de fabricação;- As Figuras 3 e 4 são vistas em corte nas direções III e IV da Figura 2 que mostram o efeito da compactação nos perfis de duas porções diferentes da pré-forma, com o uso de uma montagem de compactação em uma primeira modalidade da invenção; - A Figura 5 é uma vista fragmentária da pré-forma da Figura 1, que mostra a raiz e a espiga de maneira ampliada;- A Figura 6 é uma vista em corte análoga àquela da Figura 4, que mostra outro exemplo de uma montagem de compactação;- A Figura 7 é uma vista em perspectiva da ferramenta de compactação da montagem de compactação da Figura 6;- As Figuras 8 e 9 são vistas esquemáticas comparativas de porções de pá compósita, sendo que as pás são fabricadas diferentemente; e- As Figuras 10 e 11 mostram como medir o ângulo de deflexão de duas fibras que têm duas configurações de flambagem típica.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES
[0016] Modalidades são descritas em detalhes abaixo com referência aos desenhos em anexo. Essas modalidades mostram as características e as vantagens da invenção. No entanto, deve ser lembrado que a invenção não é limitada a essas modalidades.
[0017] Em uma modalidade, o método de fabricação começa com uma primeira etapa a) que consiste em produzir uma pré-forma tridimensional através de tecelagem, sendo que a pré-forma tecida compreende fios de urdidura 20a e fios entrelaçados 20b. Esses dois grupos de fios incluem fios traçadores 22 que podem ser distintos visualmente dos outros fios e que estão situados regularmente, pelo menos na superfície da pré-forma.
[0018] A título de exemplo, os fios de urdidura e os entrelaçados podem ser tirados do grupo que consiste em fibras de carbono, fibras de vidro, fibras de sílica, fibras de carboneto de silício, fibras de alumina, fibras de aramida e fibras de poliamida aromática.
[0019] A pré-forma que é tecida como uma peça única é então cortada em uma segunda etapa b) do método. Mais exatamente, a pré-forma tecida é recortada cortando-se ao redor de um contorno com base em um modelo tridimensional que é projetado de modo que, após ser deformada, a pré-forma combine com o formato da parte terminada. Esse corte pode ser realizado com o uso de um jato de água e/ou através de meios mecânicos (tesoura, cortador, serra, ...), e/ou através de corte a laser.
[0020] Isso leva a uma pré-forma recortada 10a conforme mostrado na Figura 1. As porções que são para formar o aerofólio 12 e a raiz 14 da pá junto com a espiga 13 que é a porção de transição entre o aerofólio 12 e a raiz 14 podem ser vistas. Em particular, os fios de urdidura 20a e os fios entrelaçados 20b usados para tecelagem tridimensional são fibras de carbono (pretas), com fibras de vidro ou de Kevlar (brancas) que formam fios traçadores 22 que estão situados essencialmente na superfície da pré-forma ao longo da direção longitudinal principal paralela aos fios de urdidura 20a e ao longo da direção transversal paralela aos fios entrelaçados 20b. Dessa forma, os fios traçadores 22 parecem ser de cor branca no restante da pré- forma, que é preta, e os fios traçadores 22 são desse modo altamente visíveis. Adicionalmente, os fios traçadores são detectáveis através de tecnologias de inspeção não destrutivas convencionais (do tipo de tomografia de raios X ou ultrassom) para verificar que a parte final está em conformidade.
[0021] Em particular, os fios traçadores 22 são mostrados nesse exemplo como sendo as superfícies de duas faces (que são respectivamente para formar a parede lateral de pressão 17 e a parede lateral de sucção 18) da pá em localizações predeterminadas de modo a agir como pontos de referência para propósitos de posicionamento antes da etapa de corte e antes das outras etapas de processamento da pré-forma, conforme explicado abaixo.
[0022] Durante a etapa de corte, é feita uma provisão para conservar uma série de fios traçadores 22 situados na superfície da pré-forma ao longo de pelo menos uma face de referência 16, que no exemplo mostrado é a face que deve formar o bordo de ataque.
[0023] Depois disso, a pré-forma recortada 10a é submetida a pré-deformação durante uma etapa c).
[0024] Em particular, durante a etapa c), a dita pré-deformação é realizada colocando-se a pré-forma recortada 10a em um molde modelador 24 (Figura 2) que apresenta várias porções que entre as mesmas definem uma cavidade (alojamento 26) que deve receber a pré-forma recortada 10a e apresenta marcas que são usadas como referências para posicionar pelo menos alguns dos fios traçadores 22.
[0025] Vários sistemas podem ser usados para identificar e posicionar a pré-forma recortada 10a, em particular um projetor de laser 27 (consultar Figura 2) que projeta um feixe de luz no local ideal para um fio traçador 22 de modo que seja fácil mover o fio traçador 22 correspondente em conformidade a fim de obter o posicionamento predeterminado.
[0026] Alternativamente, ou adicionalmente, máscaras que reproduzem o contorno e/ou a posição de alguns ou todos os fios traçadores 22 podem ser dispostas na pré-forma a fim de verificar que a mesma está posicionada apropriadamente.
[0027] Quando a pré-forma recortada 10a é colocada no molde modelador 24, a pré-forma recortada 10a é posta em uma configuração que deforma a mesma aplicando-se uma rotação (seta 25a na Figura 2) acerca de um eixo geométrico XX' paralelo a sua direção principal, tendo assim o efeito de torcer o aerofólio acerca desse eixo geométrico.
[0028] Em algumas modalidades, pode também ser feita provisão para que o molde modelador 24 apresente uma porção móvel 24a que é deslizável destinada a tomar uma posição contra a extremidade livre da raiz 14 da pré-forma a fim de exercer tensão (seta 25b na Figura 2) que confere a deformação desejada para essa porção 14 da pré-forma, ou que evita certos tipos de deformação nessa porção, enquanto a deformação é conferida a outras porções da pré-forma 10b.
[0029] Deve ser compreendido que diversas possibilidades diferentes podem ser previstas para modelar a pré-forma recortada 10a com o uso de fios traçadores 22 como elementos de referência para posicionar a pré-forma 10a no molde modelador 24.
[0030] A estratégia de colocar a pré-forma recortada 10a no molde modelador 24 também é associada ao perfil de corte ou recorte realizado anteriormente dependendo da(s) superfície(s) de referência selecionada(s), em particular superfícies selecionadas a partir da raiz, da ponta, do bordo de ataque 16, do bordo de fuga 19, ou qualquer zona predeterminada.
[0031] Colocar a pré-forma recortada 10a no molde modelador 24 pode ser suficiente para conferir toda a deformação necessária para alcançar o formato final desejado. No entanto, em algumas modalidades, também é possível realizar a etapa c) em uma pluralidade de subetapas.
[0032] Depois disso, um aglutinante é injetado no dito molde de injeção, sendo que o aglutinante compreende uma resina termorrígida e serve para impregnar a pré- forma inteira e para manter o posicionamento relativo entre os fios da pré-forma; depois disso o molde de injeção é aquecido; e a parte moldada compósita que apresenta substancialmente o formato e as dimensões da dita pá é então extraída do molde.
[0033] Em uma etapa d) que segue a etapa c) e antes de injetar o aglutinante, pelo menos uma porção da pré-forma pré-deformada 10b é submetida à pré-compactação, cuja porção compreende a raiz e preferencialmente a raiz 14 e a espiga 13, sendo que a pré-compactação é aplicada sobre a largura inteira da pré-forma pré-deformada 10b. Essa pré-compactação bloqueia certas fibras em posições desejadas, ou pelo menos limita o movimento disponível às mesmas, obtendo assim um formato intermediário para a pré-forma que está ainda mais próxima ao formato final desejado. O bloqueio das fibras da raiz e preferencialmente também as fibras da espiga serve para garantir melhor posicionamento das fibras na pá conforme fabricadas e torna possível, em particular, limitar o fenômeno de flambagem de fibras conforme é observado comumente nessas porções da pá. Por sua vez, posicionar apropriadamente as fibras torna possível obter propriedades mecânicas satisfatórias na raiz e na espiga da pá. Tal efeito é particularmente vantajoso devido ao fato de que a raiz e a espira são as porções da pá que são submetidas às maiores tensões mecânicas em funcionamento.
[0034] A ferramenta de compactação 28 que é usada para esse propósito, mostrada esquematicamente e em parte na Figura 2, pode ser produzida de modo a terminar o molde modelador 24 com o equipamento necessário. A ferramenta de compactação 28 é móvel (para cima e para baixo) e precisa ter capacidade para ser elevada a uma temperatura de cerca de 100° C.
[0035] Durante essa etapa d), são as substâncias de lubrificação que revestem os fios e que são usadas para facilitar a tecelagem que servem para bloquear as posições relativas das fibras na porção pré-compactada.
[0036] Depois disso, a pré-forma pré-compactada 10c é umedecida e então seca, por exemplo, em um forno de secagem, de modo a obter uma pré-forma enrijecida. Esse enrijecimento serve para “congelar” a modelagem conferida durante a etapa c) à pré-forma recortada 10a, agora a pré-forma pré-deformada 10b, e para o fazer suficientemente para permitir que a mesma seja subsequentemente colocada no molde de injeção 24 facilmente e sem mudar significativamente seu formato, que corresponde ao formato da pré-deformação mencionada acima.
[0037] Se necessário, é possível adicionar um agente acentuador de pegajosidade dentro da pré-forma, por exemplo, uma resina diluída, em particular do tipo epóxi, para o propósito de ter capacidade, sob o efeito do calor e da pressão que são exercidos durante a etapa de pré-compactação d), para grudar as fibras de carbono tecidas a fim de evitar que a pré-forma pré-deformada 10b seja submetida a qualquer deformação subsequente, em particular durante a etapa de injeção.
[0038] A ferramenta de compactação 28 apresenta um formato e dimensões que permitem que a mesma seja inserida no alojamento 26 do molde modelador 24 a fim de compactar a pré-forma tecida a uma densidade de fibra que é intermediária em relação à densidade de fibra final da parte final. Por exemplo, com o uso da ferramenta de compactação 28, a ideia é obter uma pré-forma compactada que apresenta uma densidade da fibra na faixa de 35% a 55% de tal modo que, após a injeção, a parte final apresente uma densidade de fibra na faixa de 50% a 65%.
[0039] É feita referência às Figuras 3 e 4, que são cortes transversais de uma montagem de compactação em uma modalidade (molde modelador 24 e ferramenta de compactação 28) e da pré-forma pré-deformada 10b que mostra sua raiz 14 (Figura 3) e sua espiga 13 (Figura 4), de modo a mostrar como a pré-deformação é aplicada a essas diferentes porções 13 e 14 da pré-forma pré-deformada 10b (linhas tracejadas) a fim de obter a pré-forma compactada 10c (linhas contínuas).
[0040] Para a raiz 14 (Figura 3), o alojamento 26 do molde modelador 24 apresenta uma seção retangular e a ferramenta de compactação 28 apresenta uma porção de raiz 28A da seção retangular que é complementar à seção do alojamento 26.
[0041] Para a espiga 13 (Figura 4), o alojamento 26 do molde modelador 24 apresenta uma seção com um fundo convexo 26a e lados 26b que se alargam em direção à abertura do alojamento 26. A ferramenta de compactação 28 apresenta uma porção de espiga 28B da seção que tem lados 28b que são substancialmente verticais e um fundo 28a que deve estar voltado para o fundo convexo do molde modelador 24. Esse fundo 28a é côncavo com um perfil que apresenta raios de curvatura que são maiores do que o perfil convexo do fundo do alojamento 26 do molde modelador 24.
[0042] A ferramenta de compactação 28 nessa modalidade é uma peça única de tal modo que quando movida a mesma se mova para baixo (ou para cima) para (ou na direção oposta a) o alojamento 26 do molde modelador 24, comprimindo assim a pré-forma pré-deformada 10b.
[0043] A fim de evitar danificar as fibras da pré-forma pré-deformada 10b e em particular a fim de evitar o aperto das mesmas, as superfícies do molde modelador 24 e da ferramenta de compactação 28 que são voltadas em direção ao alojamento não apresentam quaisquer bordas afiadas (de projeção ou reentrantes), mas são constituídas por faces com cantos que são arredondados por conexões lisas que formam filetes.
[0044] Em tal situação, quando a ferramenta de compactação 28 se move para baixo e em consideração à porção de espiga 28B que compacta a espiga 13 da pré- forma (Figura 4), inicialmente são as bordas laterais 16a e 19a da pré-forma pré- deformada 10b, cujas bordas devem formar respectivamente o bordo de ataque 16 e o bordo de fuga 19, que fazem contato com a ferramenta de compactação 28 nos locais das bordas laterais 28c do fundo 28a. Depois disso, é feito contato progressivamente com a superfície inteira da espiga 13 voltada em direção à ferramenta de compactação 28, terminando com a zona central (tira) dessa superfície, cuja zona central passa através de um plano médio PM da montagem de compactação.
[0045] Esse plano médio PM, que não é necessariamente um plano de simetria para a montagem de compactação ou para a pré-forma, é vertical, paralelo ao eixo geométrico XX' orientado na direção principal da pré-forma e reside a meio caminho tanto entre as bordas laterais 26b do alojamento 26 do molde modelador 24 quanto também entre as bordas laterais 28b da ferramenta de compactação 28.
[0046] Essa configuração pode algumas vezes ter certas desvantagens a respeito da pré-deformação da espiga 13: desse modo, na configuração mostrada na Figura 5, uma vez que as bordas laterais 16a e 19a da pré-forma pré-deformada 10b são tanto mais finas quanto também submetidas a mais flexionamento do que o restante da espiga, as fibras 20 que formam a pré-forma são submetidas a flambagem, que pode ser prejudicial para uma resistência mecânica satisfatória na pá final.
[0047] As zonas da pré-forma recortada 10a que são submetidas a essa flambagem indesejável são mostradas na Figura 5 em duas localizações Z1 e Z2 que correspondem às bordas finas da espiga 13 situada próxima ao aerofólio 12.
[0048] A fim de superar as desvantagens mencionadas acima, em uma modalidade, a ferramenta de compactação pode incluir pelo menos três blocos de compactação separados, incluindo um bloco de compactação central que atravessa o dito plano médio, junto com dois blocos de compactação laterais situados em ambos os lados da dita ferramenta de compactação, sendo que os ditos blocos de compactação são adequados para serem rebaixados um por um em direção ao molde modelador de maneira independente, começando com o bloco de compactação central.
[0049] Dessa forma, a ferramenta de compactação pode ser feita de pelo menos três porções e é possível rebaixar essas porções em momentos diferentes, começando com o bloco de compactação central, que é rebaixado primeiro de modo que o contato inicial entre a ferramenta de compactação e a pré-forma recortada ocorra por meio da zona central da superfície da espiga que é voltada em direção à ferramenta de compactação.
[0050] Dessa forma, por meio da montagem de compactação da invenção, as bordas laterais da espiga da pré-forma são compactadas por último, tornando assim possível minimizar ou até mesmo evitar a flambagem de fibra nessas zonas finas durante a pré-compactação.
[0051] Em particular, a ferramenta de compactação pode ter um número ímpar de blocos de compactação separados de modo a formar uma configuração com um bloco de compactação central que atravessa o dito plano médio e, em ambos os lados do bloco de compactação central, números idênticos de outros blocos de compactação.
[0052] Uma ferramenta de compactação de múltiplos blocos também apresenta a vantagem de tornar possível variar a quantidade de pré-compactação conferida por cada um dos blocos de compactação na pré-forma, em que isso pode ser medido pela densidade de fibra intermediária que resulta da pré-compactação.
[0053] Em certas modalidades, os ditos blocos de compactação são adequados para serem rebaixados um por um em direção ao molde modelador em uma ordem que serve para compactar a largura inteira da dita pré-forma começando pelo dito bloco de compactação central seguido por cada bloco de compactação adjacente a um bloco anteriormente rebaixado e assim por diante para o bloco de compactação lateral.
[0054] Em certas modalidades, a dita ferramenta de compactação tem pelo menos uma porção de raiz e uma porção de espiga, e a porção de espiga tem pelo menos três blocos de compactação separados. A porção de raiz pode ser de bloco único ou de múltiplos blocos. Quando a porção de raiz é de blocos múltiplos, a mesma pode ser subdividida em pelo menos três blocos de compactação separados, incluindo um bloco de compactação central.
[0055] Em certas modalidades, os ditos blocos de compactação são adequados para se moverem para baixo em direção ao molde modelador, começando com o bloco de compactação central, seguido por todos os blocos de compactação em um dos lados do plano médio, preferencialmente um por um e um após o outro começando do bloco de compactação central e indo para o primeiro bloco de compactação lateral e finalmente todos os blocos de compactação no outro lado do plano médio, preferencialmente um por um, começando do bloco mais próximo do bloco de compactação central e indo para o segundo bloco de compactação lateral.
[0056] Em uma possibilidade alternativa, os ditos blocos de compactação são adequados para se moverem para baixo em direção ao molde modelador de maneira simétrica acerca do plano médio.
[0057] Em algumas modalidades, a ferramenta de compactação 128 inteira é subdividida em pelo menos três blocos de compactação separados, incluindo um bloco de compactação central 1281 que passa através do plano médio PM da ferramenta de compactação 128, sendo que os ditos blocos de compactação são dispostos para serem movidos para baixo em direção ao molde modelador 24 de maneira independente, começando com o bloco de compactação central 1281.
[0058] A ferramenta de compactação 128 pode incluir a zona de transição entre a raiz 14 e o aerofólio 12, isto é, a espiga 13, sendo que isso é para o propósito de controlar a deformação conferida através da compactação nessa zona de transição. Para esse propósito, a porção de espiga 128B da ferramenta de compactação 128 pode se elevar dentro da espiga 13 até uma altura de mais de 50 milímetros (mm) e preferencialmente cerca de 70 mm acima das superfícies de apoio 14b (consultar a Figura 1).
[0059] No exemplo das Figuras 6 e 7, a ferramenta de compactação 128 tem uma porção de raiz 128A e uma porção de espiga 128B que são separadas. A porção de raiz 128A e a porção de espiga 128B desse modo constituem porções da ferramenta de compactação independentes.
[0060] Em particular e conforme mostrado, a porção de raiz 128A pode ser um único bloco enquanto a porção de espiga 128B pode compreender pelo menos três blocos de compactação separados incluindo um bloco de compactação central 1281 que passa através do plano médio PM da ferramenta de compactação 128, sendo que os ditos blocos de compactação separados da porção de espiga 128B são adequados para serem rebaixados independentemente em direção ao molde modelador 24, começando com o bloco de compactação central 1281. Neste exemplo, a porção de espiga 128B da ferramenta de compactação 128 é subdividida em sete blocos de compactação separados 1281, 1282, 1283, 1284, 1285, 1286 e 1287, que são distribuídos em ambos os lados do plano médio PM.
[0061] Dessa forma, o movimento descendente da ferramenta de compactação 128 pode ser dividido. Por exemplo, a porção de raiz 128A e a porção de espiga 128B podem ser rebaixadas independentemente. A porção de espiga 128B pode ser rebaixada começando com a passagem do bloco de compactação central 1281 através do plano médio PM da ferramenta de compactação 128 (seta para baixo D1 e linha tracejada 1281' na Figura 6), seguida pelos dois blocos de compactação 1282 e 1283 situados em ambos os lados do bloco de compactação central 1281 (setas para baixo D2 e D3 e linhas tracejadas 1282' e 1283' na Figura 6) e assim por diante até os dois blocos de compactação laterais 1286 e 1287 situados nos lados de fora da ferramenta de compactação 128.
[0062] Nessa modalidade, o movimento descendente do único bloco de raiz que constitui a porção de raiz 128A pode, a título de exemplo, ser iniciado antes de começar a rebaixar o bloco de compactação central 1281 da porção de espiga 128B, ou simultaneamente com o começo do rebaixamento do bloco de compactação central 1281 da porção de espiga 128B, e o mesmo pode ser rebaixado a uma velocidade que é a mesma que ou diferente da velocidade do bloco de compactação central 1281 da porção de espiga 128B.
[0063] Em outra possibilidade, o movimento descendente do único bloco de raiz que constitui a porção de raiz 128A pode ser realizado plenamente antes de começar a rebaixar o bloco de compactação central 1281 da porção de espiga 128B: isso torna possível bloquear a raiz antes da aplicação de qualquer manipulação ao restante da pré-forma.
[0064] Essa modalidade torna possível gerenciar o formato conferido à raiz 14 da pré-forma pré-deformada 10c por meio do formato da face de fundo do bloco de raiz 128A e por meio da quantidade de compactação que o mesmo aplica, ajustando-se a força que o mesmo exerce em sua posição mais baixa, de uma maneira que é independente das forças exercidas pelo bloco de espiga 128B: essa configuração torna mais fácil obter uma quantidade satisfatória de compactação das superfícies de apoio (faces laterais da raiz 14) na parte final.
[0065] Além disso, bloqueando-se as fibras da raiz 14 em posição (ou pelo menos limitando-se suas possibilidades de movimento) por meio do bloco de raiz 128A, antes de compactar a espiga 13 com o bloco de espiga 128B, aprimora-se adicionalmente o posicionamento das fibras na pá conforme fabricado. Esse aspecto associado ao rebaixamento dos blocos de compactação 1281 a 1287 em direção ao molde modelador de maneira independente, começando com o bloco de compactação central, reduz significativamente o fenômeno indesejável de flambagem nas zonas Z1 e Z2 conforme identificado na Figura 5 e que corresponde às bordas finas da espiga 13 que estão situadas próximas ao aerofólio 12. As vistas comparativas das Figuras 8 e 9 mostram esse resultado.
[0066] A vista da Figura 8 mostra uma pá compósita que tem uma pré-forma tecida tridimensionalmente impregnada com um aglutinante, sendo que o aglutinante mantém o posicionamento relativo entre as fibras da pré-forma. A pá foi fabricada com o uso do método descrito abaixo, começando com uma pré-forma pré-compactada com o uso de uma ferramenta de compactação de bloco único 28 do tipo mostrado na Figura 2. A camada externa da pré-forma tecida pode ser vista na Figura 8. A zona da pá que é mostrada na Figura 8 corresponde à zona Z1 identificada na Figura 5, isto é, a zona da espiga 13 que percorre ao longo do bordo de ataque e que é adjacente ao aerofólio 12. Nessa zona Z1, a borda da espiga 13 é particularmente fina. Diversas marcas são desenhadas na superfície mostrada da pré-forma 10, incluindo as linhas L1 e L2. Essas linhas L1 e L2 são desenhadas respectivamente ao longo das duas porções de fibra F1 e F2 da camada externa da pré-forma tecida 10. A direção principal das fibras F1, F2 é substancialmente vertical na Figura 8. As linhas L1 e L2, que mostram os trajetos seguidos localmente pelas duas porções de fibra F1 e F2, são curvadas, ilustrando assim o fato de que as fibras F1 e F2 se afastam localmente de suas direções principais. Esse fenômeno é denominado “flambagem” das fibras F1 e F2. A flambagem é quantificada medindo-se os ângulos de deflexão A1 das fibras F1 e F2. As Figuras 10 e 11 mostram respectivamente como esse ângulo A1 é medido para duas fibras F em diferentes configurações de flambagem típica. Na flambagem mostrada na Figura 8 pelas linhas L1 e L2, os ângulos de deflexão A1 das fibras F1 e F2 são de pelo menos 30°.
[0067] A Figura 9 é uma vista análoga àquela da Figura 8 que mostra uma pá compósita que compreende uma pré-forma tecida tridimensionalmente impregnada com um aglutinante. A pá foi fabricada com o uso do mesmo método conforme foi usado para a Figura 8, com a exceção da etapa de pré-compactar a pré-forma 10. Neste exemplo, a pré-forma 10 foi pré-compactada com o uso de uma ferramenta de compactação 128 do tipo mostrado na Figura 7. A camada externa da pré-forma tecida pode ser vista na Figura 9. A zona da pá mostrada na Figura 9 corresponde à zona Z1 mostrada na Figura 5. Uma linha L3 é desenhada ao longo de uma porção de uma fibra F3 que forma parte da camada externa da pré-forma 10. Pode ser visto que não há flambagem, ou pelo menos que a fibra F3 e todas as fibras adjacentes situadas na zona Z1 apresentam flambagem limitada. Em particular, pode ser visto que os ângulos de deflexão A1 das fibras nessa zona Z1 são menores do que 20° e mais particularmente menores do que 5°. Observações similares foram feitas na zona Z2 mostrada na Figura 5, isto é, na zona da espiga 13 que percorre o bordo de fuga e que é adjacente ao aerofólio 12.
[0068] Em certas modalidades, a ferramenta de compactação 128 também tem uma pele deformável 130 (por exemplo, um filme espesso de silicone) que cobre pelo menos a face inteira da dita porção de espiga 128B da ferramenta de compactação 128 que deve estar voltada para o molde modelador 24.
[0069] No exemplo da Figura 6, essa pele deformável 130 cobre praticamente toda a ferramenta de compactação 128.
[0070] Em uma variante que não é mostrada, essa pele cobre apenas a porção de espiga 128B da ferramenta de compactação 128, ou apenas a porção da dita porção de espiga 128B da ferramenta de compactação 128 que é voltada em direção ao molde modelador 24, ou de fato todas as faces da dita porção de espiga 128B.
[0071] Conforme pode ser visto na Figura 6, com tal pele 130 flexível, é possível evitar o impedimento do movimento descendente progressivo dos blocos de compactação separados 1281, 1282, 1283, 1284, 1285, 1286 e 1287, devido ao estiramento e à deformação reversíveis da pele 130 (consultar o formato deformado 130' da pele), enquanto evita-se apertar os fios entrelaçados 20a ou fios de urdidura 20b da pré-forma pré-deformada 10b.
[0072] Conforme mostrado na Figura 7 e, opcionalmente, a ferramenta de compactação 128 inclui pelo menos uma janela 132 que torna possível visualizar a posição de pelo menos um fio traçador enquanto a pré-forma é colocada no alojamento definido entre o molde modelador 24 e a ferramenta de compactação 28. A título de exemplo, essa janela 132 é constituída por uma porção da ferramenta de compactação 128 que é feita de material transparente, ou preferencialmente é constituída por uma abertura que passa através da espessura inteira da ferramenta de compactação 28. Essa janela 132 pode estar localizada em uma zona da porção de espiga 128B que é adjacente à porção de raiz 128A, preferencialmente no bloco de compactação central 1281. Tal janela 132 torna possível, em particular, verificar que o(s) fio(s) traçador(es) 22 visível(eis) na janela (por exemplo, o fio traçador na saída da superfície de apoio) é/são posicionado(s) apropriadamente durante a operação de compactação.
[0073] No exemplo mostrado na Figura 6, a porção de espiga 128B da ferramenta de compactação 128 é subdividida em sete blocos de compactação separados 1281, 1282, 1283, 1284, 1285, 1286 e 1287.
[0074] Os blocos de compactação 1281, 1282, 1283, 1284, 1285, 1286 e 1287 podem desse modo se mover para baixo para compactar a pré-forma 10b a velocidades diferentes e/ou com forças diferentes exercidas pelos blocos de compactação na pré- forma, fazendo surgir assim diferentes níveis de pré-compactação ou na densidade de fibra intermediária que resulta da pré-compactação conferida pelos vários blocos de compactação 1281, 1282, 1283, 1284, 1285, 1286 e 1287.
[0075] No exemplo mostrado, há sete blocos de compactação 1281, 1282, 1283, 1284, 1285, 1286 e 1287 para a porção de espiga 128B, entretanto, mais geralmente, é possível fornecer pelo menos cinco, por exemplo, exatamente cinco, e isso pode ser aplicado independentemente de se a subdivisão em blocos de compactação separados se refere à montagem (unitária) formada pela porção de espiga 128B da ferramenta de compactação 128 e pela porção de raiz 128A da ferramenta de compactação, ou apenas à porção de espiga 128B da ferramenta de compactação 128.
[0076] Um método para fabricar uma pá de turbomáquina compósita pode compreender etapas a seguir:a) produzir uma pré-forma 10 através de tecelagem tridimensional de fios 20a, 20b, 22, sendo que a dita pré-forma compreende simultaneamente o aerofólio 12, a raiz 14 da pá e, entre o aerofólio 12 e a raiz 14, a espiga 13 da pá, sendo que os fios 20 incluem fios traçadores 22 identificáveis dispostos pelo menos na superfície da pré-forma;b) recortar a dita pré-forma enquanto deixa intacta uma série de fios traçadores 22 situados ao longo de uma face de referência 16 da pré-forma, fornecendo assim uma pré-forma recortada 10a adequada para tomar o formato das dimensões de porções que constituem a pá;c) pré-deformar a dita pré-forma recortada (10a), fornecendo assim uma pré-forma pré-deformada (10b);d) pré-compactar a dita pré-forma pré-deformada (10b), fornecendo assim uma pré-forma pré-compactada (10c);e) umedecer a pré-forma pré-compactada 10c e secar a mesma, por exemplo, em um forno de secagem, fornecendo assim uma pré-forma enrijecida 10;f) fornecer um molde de injeção 24 em que a dita pré-forma enrijecida 10 é colocada;g) injetar um aglutinante que compreende uma resina termorrígida no dito molde de injeção a fim de impregnar a pré-forma pré-deformada enrijecida 10 inteira e manter o posicionamento relativo entre os fios 20a, 20b, 22 da pré-forma enrijecida;h) aquecer o dito molde de injeção; ei) extrair do molde uma parte moldada compósita que tem substancialmente o formato e as dimensões da dita pá.
[0077] Durante a etapa c), a dita etapa de pré-deformação é realizada colocando- se a pré-forma recortada 10a no alojamento 26 definido por um molde modelador 24 e, durante a etapa d), a dita pré-compactação da dita pré-forma pré-deformada 10b é realizada com o uso de uma ferramenta de pré-compactação 128 móvel que coopera com o molde modelador 24 a fim de formar uma montagem de compactação que define uma direção longitudinal e um plano médio PM vertical e paralelo à direção longitudinal.
[0078] Durante a etapa d), a ferramenta de compactação 28 pode ser movida para baixo em direção ao molde modelador 24.
[0079] Quando a ferramenta de compactação 128 compreende uma pluralidade de blocos de compactação 1281, 1282, 1283, 1284, 1285, 1286 e 1287, conforme descrito acima, a ferramenta de compactação 128 é adequada durante a etapa d) para compactar pelo menos a raiz 14 da dita pré-forma pré-deformada 10b, começando com o meio e indo progressivamente para a borda da pré-forma pré-deformada 10b.
[0080] De modo semelhante, quando a ferramenta de compactação 128 tem uma porção de raiz 128A e uma porção de espiga 128B, conforme definido acima, essas porções 128A e 128B podem ser movidas para baixo separadamente em direção ao molde modelador 24
[0081] Desse modo, por meio dessas provisões vantajosas, durante a etapa de compactação a flambagem de fibra é evitada na zona de raiz 14 e na zona de espiga 13 da pré-forma, conforme mostrado em parte pelas Figuras 8 e 9 descritas acima.
[0082] Nesse método, durante a etapa d), a dita ferramenta de compactação 128 é adequada para se mover para baixo em direção ao molde modelador 24 de tal maneira que os ditos blocos de compactação se movam para baixo um por um em direção ao molde modelador 24 em uma ordem que compacta a largura inteira da dita pré-forma 10b começando com a passagem de sua porção central através do plano médio PM e seguido por cada porção adjacente à porção antecedente, movendo-se progressivamente na direção oposta ao plano médio PM. Durante a etapa d), a dita ferramenta de compactação 128 pode ser adequada para se mover para baixo em direção ao molde modelador 24 de uma maneira que é simétrica acerca do dito plano médio PM.
[0083] As Figuras mostram o exemplo de uma raiz 14 que permanece retilínea ao longo do método de fabricação. Deve ser compreendido que sem ir além do âmbito da presente invenção, é possível prever uma raiz que é torcida, ou deformada de qualquer outra forma, quando é colocada no molde modelador 24.
[0084] Adicionalmente, em uma modalidade variante (não mostrada), a ferramenta de compactação 128 cobre não apenas a raiz 14 e a espiga 13 da pá, mas também uma porção do aerofólio 12 da pá.
[0085] De modo semelhante, na descrição acima, é afirmado que a ferramenta de compactação 128 realiza uma etapa de pré-compactação, isto é, a etapa d). No entanto, também é possível usar a ferramenta de compactação 128 alternativamente como um elemento do molde de injeção 24 e usar a mesma apenas nas etapas f) e g). Em outra variante, é possível usar a mesma ferramenta de compactação 128 não apenas na etapa de pré-compactação d), mas também nas etapas f) e g).
[0086] O verbo “compreender”, quando usado no presente pedido, deve ser compreendido no sentido de que a característica especificada está presente, mas sem excluir a presença ou a adição de uma ou mais outras características.
[0087] As modalidades ou implantações descritas na presente revelação são dadas a título de ilustração não limitadora, e a pessoa versada na técnica pode facilmente, à luz desta revelação, modificar essas modalidades ou implantações ou pode prever outras, enquanto permanece dentro do âmbito da invenção. Adicionalmente, as várias características dessas modalidades ou implantações podem ser usadas isoladamente ou em combinação, sendo que a invenção não é limitada às combinações específicas descritas na presente revelação.

Claims (8)

1. Montagem de compactação para compactar uma pré-forma tecida obtida tecendo-se tridimensionalmente fios (20) a fim de formar uma pá compósita de turbomáquina, sendo que a dita pré-forma tem porções para predefinir o aerofólio (12), a raiz (14) da pá e, entre o aerofólio (12) e a raiz (14), a espiga (13) da pá, sendo que a montagem de compactação é caracterizada pelo fato de que compreende um molde modelador (24) que define um alojamento aberto para cima (26) adequado para receber uma pré-forma tecida (10a) e uma ferramenta de compactação verticalmente móvel (28) para cooperar com o molde modelador (24) para formar uma montagem de compactação que permite que a dita pré-forma (10b) seja compactada quando a mesma for colocada no alojamento (26), em que a ferramenta de compactação (28) compreende pelo menos uma porção de raiz (128A), uma porção de espiga (128B), a porção de raiz (128A) e a porção de espiga (128B) sendo separadas, a montagem de compactação adicionalmente compreendendo uma película deformável que cobre pelo menos parte da ferramenta de compactação voltada para o molde modelador.
2. Montagem de compactação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a porção de raiz (128A) e/ou a porção de espiga (128B) é/são subdividida(s) em pelo menos três blocos de compactação separados (1281 a 1287), incluindo um bloco de compactação central (1281), sendo que os ditos blocos de compactação (1281 a 1287) são configurados para se mover para baixo em direção ao molde modelador (24) de maneira independente, começando com o bloco de compactação central (1281).
3. Montagem de compactação, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a porção de raiz (128A) é um único bloco e em que a porção de espiga (128B) é subdivida em pelo menos três blocos de compactação separados.
4. Montagem de compactação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a película deformável (130) cobre pelo menos a superfície inteira da porção de espiga voltada para o molde modelador.
5. Montagem de compactação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a ferramenta de compactação (128) tem pelo menos uma janela (132) configurada para visualizar a posição de pelo menos um fio traçador (22) quando a pré-forma é colocada no alojamento (26).
6. Método para fabricar uma pá compósita de turbomáquina, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas:a) produzir uma pré-forma tecendo-se tridimensionalmente fios (20a, 20b, 22), sendo que a dita pré-forma tem porções que definem o aerofólio (12), a raiz (14) da pá e, entre o aerofólio (12) e a raiz (14), a espiga (13) da pá, sendo que os fios (20a, 20b, 22) incluem fios traçadores (22) que são identificáveis visualmente dispostos pelo menos na superfície da pré-forma;b) recortar a dita pré-forma enquanto deixa intacta uma série de fios traçadores (22) situados ao longo de uma face de referência (16) da pré-forma, obtendo, assim, uma pré-forma recortada (10a) configurada para predefinir o formato das dimensões de porções que constituem a pá;c) pré-deformar a dita pré-forma recortada (10a), obtendo, assim, uma pré- forma pré-deformada (10b);d) pré-compactar a dita pré-forma pré-deformada (10b), obtendo, assim, uma pré-forma pré-compactada (10c);e) umedecer e secar a pré-forma pré-compactada (10c), obtendo, assim, uma pré-forma enrijecida;f) fornecer um molde de injeção em que a dita pré-forma enrijecida é colocada;g) injetar um aglutinante que compreende uma resina termorrígida no dito molde de injeção a fim de impregnar a pré-forma enrijecida inteira e manter o posicionamento relativo entre os fios (20a, 20b, 22) da pré-forma enrijecida;h) aquecer o dito molde de injeção; ei) extrair do molde uma parte moldada compósita que apresenta substancialmente o formato e as dimensões da dita pá; em que, durante a etapa c), a dita pré-deformação é realizada colocando- se a pré-forma recortada (10a) em um alojamento (26) definido por um molde modelador (24) e em que, durante a etapa d), a pré-compactação é realizada,em que, durante a etapa d), pelo menos a porção de raiz (128A) da pré- forma é pré-compactada (10b), e em que, durante as etapas c) e d), é feito uso de uma montagem de compactação conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 5.
7. Pá compósita de turbomáquina que tem uma raiz (14), um aerofólio (12) e uma espiga (13) que constitui uma parte de transição entre a raiz (14) e o aerofólio (12), sendo que a pá é caracterizada pelo fato de que compreende uma pré-forma de fibras tecidas tridimensionalmente que foram compactadas e impregnadas com aglutinante, sendo que as fibras da camada externa da pré-forma estão situadas na zona de espiga (13) adjacente ao aerofólio (12) e percorrem ao longo do bordo de ataque ou de fuga da pá apresentando respectivos ângulos de deflexão (A1) de menos do que 20°, a pá sendo fabricada pelo método conforme definido na reivindicação 6.
8. Turbomáquina caracterizada pelo fato de que inclui uma pá compósita conforme definida na reivindicação 7.
BR112016007445-9A 2013-10-04 2014-10-03 Montagem de compactação para compactar uma pré-forma tecida, método para fabricar uma pá compósita de turbomáquina, pá compósita de turbomáquina, e, turbomáquina BR112016007445B1 (pt)

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