BR112016012196B1 - Ventoinha e motor de turbina - Google Patents

Abstract

ventoinha e motor de turbina. a invenção refere-se a uma ventoinha, em particular para um motor de turbina de pequeno porte como um turbojato, com uma razão do cubo que corresponde à razão do diâmetro do limite interno da nervura de entrada de ar (26) ao nível das extremidades radialmente internas dos bordos de ataque das lâminas da ventoinha (10), dividido pelo diâmetro do círculo ou que passa pelas extremidades externas das lâminas da ventoinha, com valor compreendido entre 0,20 e 0,265.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se à obtenção de um dimensionamento particular de uma ventoinha, em particular para um motor de turbina, tal como um turbojato.

[002] A invenção refere-se um desafio técnico real, e apresenta particular interesse ao tratar de motores de turbina cujas dimensões externas foram planejadas para se adaptar ao campo da aviação de negócios. Normalmente, esses motores de turbina, de tamanho relativamente pequeno, têm um diâmetro de entrada definido pelo diâmetro a montante da nervura do motor de turbina, compreendido entre 900 e 1550 mm, a fim de apresentar dimensões estreitamente relacionadas com uma massa total e adequadas para montagem em aviões como jatos executivos.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[003] Como em qualquer tipo de motor de turbina, desenvolvimentos em relação a este tipo de motor de turbina de pequeno porte se concentram essencialmente na melhoria dos desempenhos, na redução de consumo e no ganho de massa. As áreas de desenvolvimento são, neste sentido, variadas e podem, por exemplo, dizer respeito à escolha de materiais, ao estudo das formas das lâminas, à otimização das ligações mecânicas entre as partes e à prevenção de vazamentos, dentre outras.

[004] Uma das áreas de desenvolvimento geralmente seguida é a redução da razão do cubo da ventoinha do motor de turbina. Esta razão do cubo é a relação entre o diâmetro externo do cubo no bordo de ataque das lâminas da ventoinha e o diâmetro do círculo por onde passam as extremidades radiais destas lâminas da ventoinha. A diminuição da razão do cubo geralmente envolve uma diminuição radial do tamanho do cubo e, portanto, um ganho de massa, mas também implica em um aumento da seção de aspiração do motor de turbina, envolvendo aumento do fluxo de ar, impulsionando o motor de turbina e, portanto, ganho de desempenho. No entanto, tendo em conta o presente conhecimento da concepção e da fabricação de motores de turbina de pequeno porte, tais como aqueles que possuem diâmetro de entrada definido acima, é considerado que este tipo de motor de turbina não permite uma redução do diâmetro externo do cubo, particularmente no bordo de ataque das lâminas da ventoinha na parte inferior do diâmetro efetivamente utilizado, que está tipicamente compreendido entre 570 e 585 mm. Com efeito, as dimensões atuais dos elementos mecânicos que compreendem o cubo são consideradas não reduzíveis, principalmente pelas razões evidentes da resistência mecânica radial das lâminas, da resistência à torsão, das tolerâncias e dos métodos de fabricação, das ferramentas de acessibilidade, dentre outros.

[005] Contrariamente a esses preconceitos técnicos, a invenção oferece uma escolha de determinado dimensionamento de uma ventoinha de motor de turbina que proporciona um ganho significativo de desempenho e de massa.

[006] Para esta finalidade, a invenção oferece uma ventoinha, particularmente para motor de turbina como um turbojato, a qual compreende, na entrada das lâminas da ventoinha, uma caixa anular, um cubo girando em torno de um eixo do motor de turbina e sustentando as lâminas, as quais se estendem radialmente em relação ao referido eixo dentro de uma nervura anular delimitada internamente pelo cubo e externamente pela caixa anular, a dita ventoinha possuindo um diâmetro de entrada que corresponde ao diâmetro do círculo incluindo as extremidades radialmente externas das lâminas, que é um valor compreendido entre 900 mm e 1550 mm, e com uma razão do cubo que corresponde à razão do diâmetro do limite interno da nervura no nível das extremidades radialmente internas dos bordos de ataque das lâminas da ventoinha, dividido pelo diâmetro de entrada, com o valor compreendido entre 0,20 e 0,265.

[007] De acordo com uma primeira modalidade, o cubo compreende um disco da ventoinha formado de uma única peça com as lâminas.

[008] De acordo com uma segunda modalidade, o cubo compreende um disco da ventoinha com, em sua periferia externa, nervuras substancialmente axiais formadas em alternância com os sulcos nos quais os pés das lâminas são fixados.

[009] Mais particularmente, é proposto um diâmetro de entrada com valor compreendido entre 900 e 1200 mm, para proporcionar resultados ainda mais vantajosos em termos de massa. Como será explicado adiante, a escolha particular de tal diâmetro externo é o objeto de um preconceito técnico especialmente muito importante.

[010] Além disso, é proposta uma disposição mecânica específica do rotor da dita ventoinha, que é particularmente bem adaptada para este dimensionamento escolhido.

[011] Geralmente, o rotor de uma ventoinha de um motor de turbina consiste em um disco formado por uma única peça com as lâminas, ou que possui, em sua periferia externa, lâminas cujos pés são fixados dentro dos sulcos substancialmente axiais na periferia externa do disco.

[012] No caso onde as lâminas são fixadas no disco, as lâminas são mantidas radialmente no disco em cooperação das formas dos seus pés com os sulcos no disco, sendo os pés das lâminas, por exemplo, do tipo cauda de andorinha. As plataformas entre as lâminas são montadas sobre o disco entre as lâminas da ventoinha. O disco é geralmente equipado com peso de balanceamento estendendo radialmente para dentro.

[013] Na técnica atual, as lâminas são mantidas axialmente sobre o disco pelos meios que são montados no disco, a montante e a jusante das lâminas, e que impedem que os pés das lâminas se movam axialmente nos sulcos do disco.

[014] Os meios de retenção localizados a jusante das lâminas incluem, por exemplo, pelo menos um gancho da base da lâmina que está acoplado dentro de um entalhe usinado sobre uma parte da extremidade a montante do compressor de baixa pressão disposto a jusante da ventoinha. Para permitir a montagem desses ganchos nos entalhes do compressor de baixa pressão, é necessário aumentar radialmente os sulcos do disco em relação às bases das lâminas. Assim, é possível mover axialmente as lâminas no fundo dos sulcos e posicionar os ganchos das bases das lâminas alinhadas radialmente em relação aos entalhes. É possível então levantar radialmente as lâminas nos sulcos usando cunhas suficientemente espessas, dispostas no fundo dos sulcos, para introduzir os ganchos das bases das lâminas dentro dos entalhes e manter as lâminas em posição alta.

[015] Os meios de retenção localizados a montante compreendem, por exemplo, um flange anular relatado e fixo sobre a extremidade a montante do disco. O flange é montado coaxialmente sobre o disco e tem uma parte festonada que coopera com uma parte festonada correspondente do disco. Este flange bloqueia axialmente o anel no disco e sua rotação é imobilizada em relação ao disco. A periferia externa do flange está axialmente apoiada nas bases da lâmina para sua retenção axial a jusante, sua periferia interna sendo aplicada e fixa sobre um aro anular correspondente do disco. A periferia externa do flange possui, além disso, grampos de fixação das extremidades a montante das plataformas entre as lâminas.

[016] Uma virola com formato significativamente troncocônico montado no disco, a montante das lâminas, delimita internamente a nervura anular de entrada do ar no motor de turbina. Esta virola possui, na adjacência de sua extremidade a jusante, um aro anular e radialmente interno que é aplicado axialmente sobre o flange supracitado, e que é fixado ao flange no aro do disco por parafusos.

[017] Um capô troncocônico é, além disso, montado sobre a virola supracitada, sendo a porção a montante da mesma, por meio de outros parafusos, fixada nos buracos nas chapas do capô e da virola, e que estão localizados radialmente dentro dos parafusos de fixação da virola sobre o disco.

[018] Seja por um disco formado por uma única peça com as lâminas, ou por um disco com sulcos onde as lâminas são fixadas, o disco é fixado em um eixo de transmissão a jusante, através de um aro anular radial do disco fixado em um aro anular radial do eixo, usando uma série de chapas alinhadas circunferencialmente e axialmente parafusadas através das chapas.

[019] Para realizar a montagem e a desmontagem do rotor da ventoinha, é necessário acessar axialmente estas porcas com uma ferramenta. Para fazer isso, o operador deve ter espaço suficiente ao redor do eixo central. No caso em que a ventoinha possui diâmetro pequeno, e em particular no caso onde a razão do cubo da ventoinha é mencionada neste pedido de patente, a estrutura descrita acima da técnica anterior não permite acesso às porcas acima mencionadas. Com efeito, os pesos de equilíbrio do disco são, neste caso, formados no alinhamento axial das porcas e reduziram significativamente o espaço disponível ao redor do eixo central acima do eixo de transmissão para acessar as porcas.

[020] Além disso, os esforços transmitidos pelo eixo ao disco são totalmente suportados pelas chapas aparafusadas acima mencionadas, que são elementos particularmente sensíveis a deformações e rupturas na cadeia de transmissão do torque do eixo até o disco da ventoinha. No caso mencionado acima, as dimensões radial e circunferencial dessas chapas estão muito reduzidas e há fortes riscos de deformação e ruptura desses últimos em funcionamento.

[021] Seja por um disco formado por uma única peça com as lâminas, ou por um disco com sulcos onde as lâminas são fixadas, a técnica anterior não permite, de acordo com a técnica prejulgada equivocada, formar uma ventoinha com a dimensão e a razão do cubo definidas pela invenção.

[022] O documento EP 1 357 254 também revela um rotor de ventoinha cuja estrutura tem um espaço radial e axial importantes.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[023] Busca-se uma solução simples, eficiente e econômica para este problema, como tal, uma possivelmente independentemente das restrições do diâmetro de entrada e da razão do cubo supracitadas e reivindicadas.

[024] Para este efeito, é proposta uma transmissão de torque entre o disco da ventoinha e um eixo de transmissão a jusante centrado no mesmo eixo, com a dita transmissão de torque sendo assegurada através de uma sequência anelar de ranhuras axiais do disco que coopera com uma sequência anular de ranhuras axiais do eixo.

[025] Preferencialmente, as ranhuras do disco são formadas na superfície interna de uma parede cilíndrica do disco, a qual envolve o eixo de transmissão.

[026] De acordo com outra característica, a superfície cilíndrica é formada na extremidade a jusante do disco e é conectada ao restante do disco através de uma parede troncocônica que se alarga para a montante.

[027] Vantajosamente, pelo menos um rebordo do anel é formado na superfície do eixo de transmissão, e está em apoio axial a jusante contra uma paragem do disco.

[028] As paragens podem ser formadas pela extremidade a jusante da parede cilíndrica e/ou de uma borda anular radial que se estende para dentro da parede troncocônica.

[029] Preferencialmente, uma porca é montada sobre uma rosca da superfície externa a montante do eixo, e forma um apoio axial desde a montante sobre pelo menos uma paragem do disco, para manter a paragem apertada axialmente entre a dita porca e um rebordo do eixo.

[030] A porca possui tipicamente um diâmetro que compreende entre 105 mm e 135 mm e, de preferência, que compreende entre 115 mm e 125 mm.

[031] A estrutura definida acima fornece um método de transmissão de torque mais resistente do que aquele envolvendo os flanges radiais aparafusados. Com efeito, enquanto uma ligação por chapas implica na presença de paredes radiais relativamente frágeis à flexão e a presença dos parafusos fixados em um número limitado de buracos onde estão concentrados os esforços ao longo da circunferência das chapas, a ligação por ranhuras permite distribuir o torque por toda a circunferência das paredes cilíndricas caneladas capazes de lidar melhor com as significativas cargas de flexão.

[032] Seja por um disco formado por uma única peça com as lâminas, ou por um disco com sulcos onde as lâminas são fixadas, a estrutura definida acima então resolve o problema mecânico entre o eixo de transmissão e o disco, em cujo âmbito a ventoinha com a dimensão e a razão do cubo são definidas pela invenção.

[033] rotor da ventoinha descrito acima, cuja concepção proposta está diretamente relacionada com a escolha da razão do cubo efetuada no âmbito da modalidade do motor de turbina de pequeno tamanho, foi adicionalmente desenvolvido juntamente com o ambiente técnico descrito abaixo. Este ambiente proposto pelos inventores permite formar, particularmente, um arranjo especial do rotor da ventoinha que fornece uma solução para a montagem do disco sobre o eixo de transmissão, a fim de obter a conexão canelada expressada no presente pedido de patente.

[034] A escolha particular da razão do cubo descrita no presente pedido de patente envolve uma redução geral das dimensões do disco da ventoinha do motor de turbina em relação à técnica anterior. Este disco apresenta um diâmetro externo em um valor que é agora tipicamente compreendido entre 245 e 275 mm. No caso em que as lâminas são fixadas no disco, continua sendo necessário que este disco atenda as restrições relacionadas com a retenção e o funcionamento das lâminas da ventoinha, cujo número e dimensões permanecem relativamente idênticos em relação à técnica anterior. Para este efeito, o número de lâminas é preferencialmente compreendido entre 17 e 21 lâminas e, mais particularmente, entre 18 e 20 lâminas. A altura e a largura dos sulcos no disco devem, de acordo com o atual conhecimento técnico, não sofrer uma redução das dimensões, de um lado para permitir a introdução dos ganchos a jusante da retenção axial das lâminas mencionadas neste pedido e, de outro lado, para ser adequado ao tamanho dos pés das lâminas, cujas dimensões não foram reduzidos a fim de apoiar as lâminas em rotação.

[035] Os requisitos simultâneos de retenção das dimensões dos sulcos no disco e de redução do diâmetro geral do disco, então, necessariamente envolvem uma diminuição na largura, ou seja, do tamanho circunferencial das nervuras do disco. As nervuras do disco da ventoinha, mais finas do que na técnica anterior, oferecem uma razão do cubo mais alta, apresentando assim uma fragilidade maior e maior risco de ruptura, em relação ao torque suportado durante o funcionamento, do que as nervuras da técnica anterior.

[036] Para resolver esse problema, recomendou-se formar o disco da ventoinha com uma liga de inconel, muito resistente. Esta liga é muito pesada, prejudicando o desempenho global do motor de turbina e, portanto, não pode constituir uma solução satisfatória.

[037] No âmbito do rotor da ventoinha descrito acima, observou- se, inesperadamente, que quando as lâminas são fixadas no disco, o bloqueio axial das lâminas ocorre por uma disposição particular do disco, de um flange de retenção a montante do disco e de um anel e de um capô da ventoinha, este conjunto tendo sido desenvolvido pelos inventores e que foi suficientemente eficaz e resistente para superar o bloqueio axial efetuado pelos ganchos a jusante dos pés da lâmina fixada dentro do compressor de baixa pressão em relação a um motor de turbina cujas dimensões foram anteriormente especificadas.

[038] Esta disposição particular do bloqueio axial das lâminas consiste em um capô anular montado no disco a montante das lâminas, e meios de reter axialmente as lâminas sobre o disco com um flange montado dentro de um canal côncavo anular do disco e formando um apoio axial dos pés das lâminas, o flange compreendendo uma borda anular radial recortada e cooperando com uma borda anular radial recortada do canal côncavo anular do disco, de modo a assegurar um bloqueio axial do flange no canal côncavo anular do disco, e os meios de imobilização em rotação do flange, com um anel com espigas estendendo-se radialmente para dentro e formado com os meios de fixação sobre uma face radial a montante do disco, o dito capô estando fixo sobre o disco pelos meios de fixação comuns aos meios de fixação de pelo menos certas espigas do anel sobre o disco, o dito compreendendo, além disso, pelo menos uma projeção radial que coopera com uma paragem complementar do flange, de modo a bloquear a rotação do flange em relação ao anel.

[039] Os inventores, por conseguinte, convenientemente excluíram o gancho a jusante do bloqueio axial das lâminas e, portanto, tiveram a oportunidade de reduzir a altura radial dos sulcos do disco da ventoinha, cuja parte era anteriormente reservada para a montagem dos ganchos a jusante, a uma altura tipicamente compreendida entre 18 e 22 mm.

[040] A redução da dimensão radial dos sulcos causa diretamente uma redução radial das nervuras que permitem formar a face interna deste disco, com um perfil de equilíbrio a partir de um furo de forma troncocônica coaxial ao eixo da ventoinha, e cujo raio aumenta de montante para jusante. Este perfil de equilíbrio, além de equilibrar o disco da ventoinha, apresenta um diâmetro mínimo, a montante, tipicamente compreendido entre 120 e 140 mm, que é maior que o diâmetro mínimo do perfil de equilíbrio possível de ser utilizado para os sulcos de maior altura, do diâmetro externo do disco equivalente.

[041] Este novo perfil de equilíbrio do disco proporciona um espaço anular maior no meio do disco da ventoinha para a passagem axial das ferramentas necessárias para a montagem e o aperto do disco da ventoinha sobre o eixo de transmissão do motor de turbina, por meio da disposição que envolve uma ligação por ranhuras, conforme é descrito no presente pedido de patente.

[042] Além disso, a redução da dimensão radial dos sulcos do disco da ventoinha lhe confere proporções muito compactas e resistentes, que são melhores para os momentos fletores em operação. Graças à solução aqui apresentada, a estrutura das nervuras do disco da ventoinha proporciona uma estrutura forte o suficiente para ser formada em liga de titânio muito mais leve do que uma liga de inconel.

[043] Assim, é possível propor, para o caso de um rotor de ventoinha incluindo as lâminas fixada em um disco, que o dito rotor da ventoinha é desprovido de meios de retenção axiais das lâminas da ventoinha no disco da ventoinha, a jusante das lâminas. Este rotor da ventoinha compreende apenas, como meio de retenção axial das lâminas, o flange a montante, conforme descrito no presente pedido de patente. Esta característica é particularmente relevante no âmbito das ventoinhas para motores de turbina de pequeno porte da invenção, e apresentam as dimensões e a razão do cubo descritas anteriormente. Propõe-se aqui, para este tipo de ventoinha, formar o disco da ventoinha em liga de titânio, e mais particularmente uma liga do tipo TA6V ou TI17 (TA5CD4).

[044] Além disso, ainda outro aspecto deste assunto refere-se, no caso de uma modalidade que não é de um único bloco do disco e das lâminas, às cunhas que são geralmente usadas na parte inferior das ranhuras para manter as lâminas na altura contra as nervuras. Estas cunhas devem, agora, garantir as funções que consistem em limitar a folga dos pés das lâminas dentro dos sulcos em funcionamento, proteger os fundos dos sulcos e amortecer as lâminas, caso elas se rompam ou quando o motor de turbina engole um corpo volumoso. Para atender estas restrições de forma ideal, particularmente no novo contexto descrito acima, em particular no âmbito da redução da dimensão radial dos sulcos reivindicados neste pedido de patente, o presente pedido de patente propõe um calço que foi radialmente afinado em reação às soluções anteriores, e que possui uma espessura radial normalmente compreendida entre 1 e 3 mm, mais particularmente igual a 2 mm, sendo especificado que um tal calço poderia ser fornecido mesmo fora das restrições de diâmetro de entrada e das razões do cubo citadas acima e reivindicadas. Cada calço se apresenta, mais particularmente, sob a forma de uma placa de duas faces, alongada ao longo do eixo da ventoinha e colocada contra o fundo de um dos sulcos. Preferencialmente, este calço é simétrico nas três direções axiais, radiais e circunferenciais, o que evita quaisquer erros de instalação. Cada face do calço possui, de preferência, bordas laterais, ou circunferenciais, chanfradas, com cada um dos chanfros formando um ângulo de 10 °, mais ou menos 2 °, com uma face. De acordo com outra particularidade, os chanfros de cada face se juntam radialmente face a face nas extremidades laterais do calço, de modo a formar as duas bordas laterais do calço. Os ângulos da junção entre as faces do calço e os chanfros são suavizados de modo a apresentar uma curva de raio entre 1,50 mm e 1,80 mm, mais particularmente compreendendo entre 1,60 mm e 1,70 mm, e que é preferencialmente igual a 1,65 mm. Os ângulos das junções entre os chanfros que formam as bordas laterais do calço podem ser suavizados de modo a apresentar uma curva de raio compreendida entre 0,45 mm e 0,75 mm, e mais particularmente compreendida entre 0,52 mm e 0,68 mm, e preferencialmente igual a 0,6 mm. De acordo com uma modalidade particular, cada calço possui uma dimensão lateral compreendida entre 17,0 mm e 18,2 mm e, mais particularmente, igual a 17,6 mm.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[045] Os diferentes aspectos das soluções aqui apresentadas serão mais bem compreendidos em outros detalhes, características e vantagens dos mesmos, que serão mais evidentes ao ler a descrição a seguir, a qual foi feita a título de exemplo e não de limitação, e em referência aos desenhos em anexo, nos quais: - a figura 1 é uma vista em perspectiva parcialmente levantada de um motor de turbina de acordo com a técnica anterior, - a figura 2 é uma vista esquemática da metade parcial na seção axial de uma ventoinha do motor de turbina de acordo com a técnica anterior, - a figura 3 é uma vista esquemática da metade parcial na seção axial ampliada, de uma ventoinha de motor de turbina de acordo com a invenção, e para o caso onde as lâminas estão fixadas nas ranhuras do disco, - a figura 4 é uma vista esquemática da metade parcial na seção axial ampliada, de uma ventoinha de motor de turbina de acordo com a invenção, e para o caso onde as lâminas são formadas de uma única peça com o disco, - a figura 5 é uma vista em perspectiva de um rotor de ventoinha atual com o levantamento do capô, para o caso da figura 3, - a figura 6 é uma vista frontal do mesmo conjunto mostrado na figura 5, - as figuras 7, 8 e 9 são as respectivas vistas das seções A-A, B-B e C-C da figura 6, - a figura 10 é uma vista em perspectiva de um calço utilizado na ventoinha de acordo com a invenção, para o caso da figura 3, - a figura 11 é uma vista em seção transversal do mesmo calço.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[046] Será feita referência, primeiramente, às figuras 1 e 2, que representam, por conseguinte, uma ventoinha de motor de turbina de acordo com a técnica anterior à presente invenção.

[047] A dita ventoinha compreende as lâminas 10 guiadas pelo disco 12, envoltas por uma caixa anular externa 8 e entre as quais estão intercaladas as plataformas (não representadas) entre as lâminas, com o disco 12 estando fixo na extremidade a montante de um eixo 13 do motor de turbina.

[048] Cada lâmina 10 da ventoinha compreende uma pá 16 ligada à sua extremidade radialmente interna a uma base 18 que é acoplada dentro de um sulco 20 sensivelmente axial de forma complementar ao disco 12, formado entre duas nervuras 22 do disco 12, e que permite reter radialmente esta lâmina 10 sobre o disco 12. Um calço 24 é intercalado entre a base 18 de cada lâmina 10 e a parte inferior do sulco 20 correspondente do disco 12 para imobilizar radialmente a lâmina 10 sobre o disco 12. Os pesos 14 que se estendem para o interior da ventoinha são formados na superfície interna do disco 12 para equilibrar o disco 12.

[049] O disco 12 compreende uma parede troncocônica 200 fechando a jusante e que se estende desde uma porção do disco 12 localizado radialmente entre os sulcos 20 e os pesos 14. A parede troncocônica 200 compreende em sua extremidade a jusante um aro anular radial 202 com orifícios axiais cooperando com os orifícios axiais de um aro anular radial 204 formado a montante do eixo 13 de transmissão para a passagem dos parafusos 206.

[050] As plataformas entre as lâminas formam uma parede que delimita interiormente uma nervura 26 do fluxo de ar que entra no motor de turbina, e que compreende os meios que cooperam com os meios correspondentes fornecidos no disco 12, entre os sulcos 20, para fixar as plataformas sobre o disco.

[051] As lâminas 10 da ventoinha são retidas axialmente dentro dos sulcos 20 do disco 12 através dos meios adequados montados sobre o disco 12, a montante e a jusante das lâminas 10.

[052] Os meios de retenção localizados a montante compreendem um flange anular 28 em relação e fixo axialmente sobre a extremidade a montante do disco 12.

[053] O flange 28 compreende uma borda anular interna 30 que é recortada ou dentada e que coopera com uma borda anular externa 32 dentada ou recortada do disco 12 para imobilizar axialmente o flange 28 sobre o disco 12. Este flange 28 é suportado por uma borda externa 34 sobre as cunhas 24 dos pés da lâmina 18.

[054] O flange 28 compreende, além disso, um aro anular interno 36 que é intercalado entre um aro anular 38 correspondente do disco 12 e um aro anular interno 40 de uma virola 42 disposta a montante do disco 12 da ventoinha. As chapas 36, 38 e 40 compreendem os orifícios axiais (não visíveis) de passagem de parafusos 44 ou análogos (não visíveis) para o aperto das chapas entre os mesmos.

[055] A virola 42 possui uma forma sensivelmente troncocônica de a montante para a jusante, a parede sendo definida pelas plataformas entre as lâminas que se estendem para dentro do prolongamento axial da dita virola 42. A dita virola consiste em orifícios 46 radiais para a montagem do parafuso de equilíbrio, bem como de um aro 48 localizado em sua extremidade a montante. Um capô 50 cônico é montado na parte a montante da virola 42. Mais particularmente, o capô 50 possui um aro 52 em sua extremidade a jusante fixado no aro a montante 48 da virola 42 através do parafuso 54.

[056] A jusante da lâmina 10, a retenção axial é permitida por um gancho 120 formado na extremidade a jusante da lâmina 10 e que é introduzida em um entalhe 122 formado na extremidade a montante de um compressor 124 estendendo pela nervura 26 a jusante da ventoinha.

[057] Essa estrutura tem as desvantagens descritas acima. Em particular, ela não é conveniente para uma ventoinha com um diâmetro relativamente baixo.

[058] As figuras 3 e 4 ilustram uma modalidade de uma ventoinha de acordo com a solução desenvolvida no presente pedido de patente e que compreende, em relação à figura 3, um disco 56 com as lâminas 132 cujos pés 138 são fixos nos sulcos 58 sensivelmente axiais da periferia externa do disco 56, e para a figura 4, um disco 56 formado de uma única peça com as lâminas 132.

[059] O disco 56 é concebido ao redor do eixo 130 do motor de turbina, e é girado em rotação por um eixo 208 de transmissão a jusante.

[060] Mais particularmente, o disco 56 está conectado a uma parede troncocônica 210 que se estende a jusante do disco 56 se fechando. A parede troncocônica 210 é conectada em sua extremidade a jusante de uma parede cilíndrica 212 cuja superfície interna inclui ranhuras 214 axiais circunferencialmente dispostas lado a lado. Estas ranhuras 214, estão ligadas diretamente com o disco 56, são fixadas por cooperação e forma com as ranhuras 216 complementares dispostas sobre a superfície externa do eixo de transmissão 208.

[061] A árvore 208 possui, formado em sua superfície externa a jusante das ranhuras 214, 216, um primeiro rebordo do anel 218 que coopera através do apoio axial contra a extremidade a jusante da parede cilíndrica 212 conectada ao disco 56 e com as ranhuras 214. Um segundo rebordo do anel 220 formado a montante das ranhuras 214, 216 está em apoio axial contra uma borda anular 222 que se estende radialmente para o interior a partir da parede troncocônica 210.

[062] Uma porca 224 coopera com uma rosca 226 formada na superfície externa da extremidade a montante do eixo 208, e apoia axialmente a jusante contra a borda anular radial 222, para que esta última, bem como a extremidade a jusante da parede cilíndrica 212, não possam se soltar de seus apoios contra os ombros, 218, 220 do eixo 208. Desta forma, o disco 56 é forçado axialmente, radialmente e circunferencialmente em relação ao eixo de transmissão 208.

[063] Esta montagem para as ranhuras entre o disco 56 e o eixo 208 tem as vantagens da resistência mecânica descritas acima, em especial para as ventoinhas de pequenos tamanhos.

[064] Para o caso específico da figura 3, cada lâmina 132 da ventoinha compreende uma pá 136 ligada por sua extremidade radialmente interna a um pé 138, que está acoplado em um sulco 58 substancialmente axial complementar ao disco 56, formado entre duas nervuras 140 do disco 56, e que permite reter radialmente esta lâmina 132 no disco 56.

[065] As lâminas 132 da ventoinha são retidas axialmente nos sulcos 58 do disco 56 através dos meios 74, 86, 70, 96 descritos abaixo, com referência às figuras 5 a 9 e dispostas a montante das lâminas 132.

[066] Um calço 142 é intercalado entre o pé 138 de cada lâmina 132 e a parte inferior do sulco 58 que corresponde ao disco 56 para imobilizar radialmente a lâmina 132 no disco 56.

[067] As plataformas entre as lâminas 134 são intercaladas circunferencialmente entre as lâminas 132. As plataformas 134 entre as lâminas formam uma parede que delimita interiormente a nervura 144 do fluxo de ar que entra no motor de turbina, e que compreende os meios que cooperam com os meios correspondentes fornecidos no disco 56, entre os sulcos 58, para fixar as plataformas sobre o disco.

[068] As lâminas 132 são rodeadas por uma caixa anular externa 146 que delimita a entrada de ar do motor de turbina. A caixa externa 146 compreende uma parede anular interna 148 que delimita externamente a nervura 144 do fluxo de ar que entra no motor de turbina, e em relação à qual as extremidades externas das lâminas 132 se movem circunferencialmente em rotação.

[069] A razão do cubo da ventoinha representada corresponde à razão da distância B entre o eixo 130 do motor de turbina e o limite interno da nervura 144 ao nível do bordo de ataque da lâmina 132, dividido pela distância A entre o eixo 130 do motor de turbina e as extremidades externas das lâminas 132. A ventoinha representada foi projetada para obter uma razão do cubo que pode estar compreendida entre 0,25 e 0,27, enquanto que a distância A possui um valor compreendido entre 450 e 600 mm. Esta escolha da razão do cubo envolve o uso de um disco cujo limite externo, nas partes superiores das nervuras, está a uma distância C do eixo 130 compreendida entre 115 mm e 145 mm.

[070] Por fim, os meios 74, 86, 70, 96 de retenção axial das lâminas 132, que serão descritos abaixo, são bastante eficazes, de modo que, ao contrário da ventoinha da técnica anterior representada nas figuras 1 e 2, a ventoinha, de acordo com a invenção representada na figura 3, não possui os ganchos de retenção axial das lâminas 132 dispostas a jusante das lâminas 132. Ao contrário, como se pode observar, o compressor de baixa pressão 150 disposto a jusante do disco 56 da ventoinha é diretamente apoiado contra as extremidades a jusante das bases das lâminas 138 e das nervuras 140 do disco. Portanto, não há mais restrição da profundidade radial das nervuras ligadas aos ganchos a jusante.

[071] Consequentemente, os sulcos 58 são radialmente menos profundos, com uma altura compreendida entre 18 mm e 22 mm, do que os sulcos adaptados para a colocação de um gancho de retenção axial das lâminas. As cunhas 142, usadas para manter os pés das lâminas 138 em apoio radial contra as nervuras 140, também são radialmente menos espessos. As nervuras 140, pelo mesmo fato menos alongadas, são suficientemente compactas para resistir às deformações e à ruptura. Este ganho na resistência das nervuras 140 permite formar o disco em uma liga de titânio relativamente leve, por exemplo, em relação a uma liga de inconel.

[072] Além disso, considerando a nova distribuição de massa do disco resultante da modificação da altura dos sulcos, a parede interna do disco 56 foi formada e modo a apresentar um perfil de equilíbrio 152 do disco 56 diferente em relação com a técnica anterior que apresenta os pesos. Este perfil 152 da parede é troncocônico, se alargando a jusante, e é formado pelo furo. Proporcionalmente ao disco, este perfil de equilíbrio 152 se estende menos que os pesos para dentro do motor de turbina, até um raio E mínimo compreendido, no âmbito da invenção, entre 60 e 70 mm, que representa o limite interno do disco. Como tal, este perfil de equilíbrio 152 situa-se radialmente para o exterior da porca 224 de aperto do disco 56 sobre o eixo de transmissão 208. Este perfil 152 permite, portanto, a passagem das maiores ferramentas dentro do espaço de acesso axial para a montante localizado ao redor do eixo 130 do disco 56, e indispensável para a montagem da ventoinha.

[073] Para o caso particular da figura 4, o disco 56 é formado de uma única peça com as lâminas 132, as quais se estendem depois da superfície externa 57 do disco 56. Portanto, não é necessário formar os meios de bloqueio axial das lâminas. A montagem particular do disco 56 no eixo de transmissão 208 com o auxílio da porca 224 ainda é possível, porque o perfil de equilíbrio 152 pode se formar da mesma forma como na figura 3.

[074] Agora, será feita referência às figuras 5 a 9 que ilustram, mais particularmente, os meios de retenção axiais das lâminas, neste caso, descritos com referência à figura 3. O disco tem uma borda anular 60 sem o peso de equilíbrio e estendido a montante por uma parte anular compreendendo um canal côncavo anular 62 delimitado entre uma face a montante da borda e um rebordo radial 64 que se estende para fora. A extremidade a montante da parte anular compreende um aro 66 que se estende radialmente para o interior e distante do rebordo 64, e que possui, espaçados a intervalos regulares na sua circunferência, os buracos axiais 68 de passagem dos parafusos 70, 72. O rebordo 64 é recortado ou dentado, e compreende partes sólidas que alternam com as partes ocas.

[075] O rotor da ventoinha está equipado com meios de retenção axial a montante das lâminas no disco. Estes incluem um flange 74 montado dentro do canal côncavo anular 62 do disco 56 e formando um apoio axial dos pés das lâminas.

[076] O flange 74 compreende uma parede significativamente troncocônica 76 alargando a jusante, e cuja espessura aumenta a jusante. O flange 74 é limitado em sua extremidade a jusante por uma face radial 78 de apoio contra as lâminas. O flange 74 compreende, em sua extremidade a jusante, uma borda anular interna 80 que é recortada ou dentada e que compreende partes sólidas alternando com as partes ocas, e que possui formas significativamente complementares daquelas do rebordo 64 do disco 56 para permitir uma montagem e desmontagem do flange 74 no canal côncavo anular 62 para a translação axial, uma rotação do flange 74 em relação ao disco 56 e um bloqueio axial do flange 74 no canal 62 do disco para apoio das partes sólidas do rebordo 80 do flange contra as partes sólidas do rebordo 64 do disco.

[077] O flange 74 compreende, por fim, os recortes 82 ou as partes ocas formadas em alternância com as partes sólidas 84 no seu bordo a montante.

[078] O flange 74 tem a rotação imobilizada por meio de um anel 86 com uma parte cilíndrica 88 delimitada pelas faces cilíndricas internas e externas. A face externa possui projeções 90 que se estendem radialmente para fora e circunferencialmente ao longo da referida superfície externa da parte cilíndrica 88, e que se inserem nos recortes 82 do bordo a montante do flange 74, criando uma paragem contra as partes sólidas 84 do bordo a montante do flange 74 para assegurar a antirrotação do mesmo. O bordo a montante do anel é ligado às espigas 92 que se estendem radialmente para o interior, formadas com os buracos 94 de passagem do parafuso. Essas espigas estão em contato axial pela parte a montante contra o aro 66 do disco 56, de modo que os buracos 94 das espigas 92 estão alinhados com os buracos 68 do aro 66 e a parte cilíndrica 88 do anel está em apoio axial pela parte exterior contra o aro 66 do disco. O anel 86 pode ser feito de aço em alta liga para resistir ao arrancamento.

[079] O flange 74 é, adicionalmente, imobilizado em rotação para parar as suas partes sólidas 84 contra as projeções 90 do anel.

[080] Um capô 96, por exemplo, em alumínio e cônico, é fixado no disco 12. Para isso, o capô 96 possui, em sua parte média, uma borda anular 98 interna, na qual se formam os buracos axiais 100 transversais (figura 7), localizados próximos a um buraco 94 em dois dos anéis 86 alinhados com alguns buracos 68 do aro 66 do disco 56. Estes buracos 100 são atravessados pelos parafusos 70 que cooperam com as porcas 102 alojadas contra a jusante do aro 66 do disco 56 e que permitem fixar juntos o capô 96, o anel 86 e o disco 56. A parte a jusante do capô 96 cobre o anel de 86 e o flange 74 de modo que a nervura interna 26 definida pelas entre as lâminas se estende dentro do prolongamento axial da parte a jusante do capô 96.

[081] Tal como este é visível na figura 9, todos os outros buracos 94 do anel exceto um, localizado ao lado dos outros buracos 68 do aro 66 do disco 56, são atravessados pelos parafusos 72 que cooperam com as porcas 104 e que servem unicamente para a fixação do anel 86 no disco 56. As cabeças desses parafusos estão alojadas nos buracos cegos 106 localizados no rebordo interno 98 do capô 96.

[082] O rebordo interno 98 do capô 96 também compreende um acoplamento cilíndrico 108 que se estende a jusante, cuja extremidade entra em apoio contra a extremidade interna do aro 66 do disco.

[083] O capô 96 possui, além disso, as linhas radiais 110 que servem para a montagem dos parafusos de equilíbrio, tal como é bem conhecido na técnica anterior. Para assegurar a posição correta dos parafusos, é necessário indexar a posição do capô 96 em relação ao rotor da ventoinha. Para fazer isso, como mostrado na figura 8, um pino de indexação 112 é montado dentro do último buraco 94 do anel alinhado com um buraco 68 do aro 66 do disco 56. O pino 112 tem uma cabeça 116 alojada em um buraco cego 114 do rebordo interno 98 do capô 96, o diâmetro da cabeça 116 do pino 112 sendo determinado de modo a não pode ser inserido em outro buraco cego 106, fornecido para a colocação das cabeças dos parafusos 72.

[084] Agora nos referimos às figuras 10 e 11, que representam as cunhas 142, estas últimas tendo sido adaptadas para a redução da profundidade dos sulcos 58. Cada calço se apresenta, mais particularmente, sob a forma de uma placa de duas faces 154, alongada ao longo do eixo da ventoinha e colocada contra o fundo de um dos sulcos 58. Este calço é simétrico nas três direções axiais, radiais e circunferencial, o que evita quaisquer erros de instalação. Cada face do calço possui as bordas laterais 156, ou circunferenciais, chanfradas, com cada um dos chanfros 158 formando um ângulo de 10° com uma face. Os chanfros 158 de cada face 154 se juntam radialmente face a face nas extremidades laterais do calço, de modo a formar as duas bordas laterais 156 do calço. Os ângulos da junção entre as faces 154 do calço e os chanfros 158 são suavizados de modo a apresentar uma curva de raio entre 1,50 mm e 1,80 mm, e mais particularmente igual a 1,65 mm. Os ângulos das junções entre os chanfros 158 respectivos que formam as bordas laterais 156 do calço são suavizados de modo a apresentar uma curva de raio compreendida entre 0,45 mm e 0,75 mm, e mais particularmente igual a 0,6 mm. Cada calço 142 tem uma espessura radial compreendida entre 1 mm e 3 mm, mais particularmente igual a 2 mm, e uma dimensão lateral compreendida entre 17,0 mm e 18,2 mm, e mais particularmente igual a 17,6 mm.

Claims (15)

1. VENTOINHA para um motor de turbina, a ventoinha compreendendo uma entrada, lâminas (132) da ventoinha, uma caixa anular (146), um cubo adaptado para rotacionar em torno de um eixo (130) do motor de turbina e sustentar as lâminas (132), cada lâmina (132) compreendendo um bordo de ataque, e as lâminas (132) se estendendo radialmente em relação ao eixo (130) dentro de uma nervura anular (144) delimitada internamente pelo cubo e externamente pela caixa anular (146), caracterizada pela ventoinha possuir um diâmetro de entrada (A) que corresponde ao diâmetro do círculo incluindo as extremidades radialmente externas das lâminas (132), que é um valor compreendido entre 900 mm e 1550 mm, e com uma razão do cubo que corresponde à razão do diâmetro (B) do limite interno da nervura no nível das extremidades radialmente internas dos bordos de ataque das lâminas (132) da ventoinha, dividido pelo diâmetro de entrada (A), com o valor compreendido entre 0,20 e 0,265; o cubo compreendendo um disco da ventoinha (56) com um limite externo, cujo diâmetro possui entre 245 mm e 275 mm, e um limite interno, formado pela extremidade interna de uma parede interna do disco de ventoinha (56), cujo diâmetro possui de 120 mm e 140 mm, em que o disco de ventoinha (56) é construído em uma única peça com as lâminas (132) ou tem, no limite externo, nervuras (140) formadas alternadamente com sulcos (58) nas quais os pés (138) da lâmina (132) estão presos, os sulcos (58) tendo fundos de sulco.

2. VENTOINHA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo diâmetro de entrada ser entre 900 mm e 1200 mm.

3. VENTOINHA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelo disco de ventoinha (56) compreender uma fila anular de canaletas (214) axiais que cooperam com uma fila anular de canaletas (216) axiais de um eixo de transmissão (208) a jusante centrado no eixo (130), para garantir a transmissão de torque entre o disco de ventoinha (56) e o eixo de transmissão a jusante.

4. VENTOINHA, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelas canaletas (214) do disco de ventoinha (56) serem formadas na superfície interior de uma parede cilíndrica (212) do disco de ventoinha (56), a parede cilíndrica (212) estando ao redor do eixo de transmissão a jusante (208).

5. VENTOINHA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pela parede cilíndrica (212) ser formada na extremidade a jusante do disco de ventoinha (56) e ser conectada ao disco de ventoinha (56) através de uma parede troncocônica (210) que se alarga na direção a montante.

6. VENTOINHA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 5, caracterizada por pelo menos um rebordo do anel (218, 220) ser formado na superfície do eixo de transmissão a jusante (208) e estar apoiado axialmente a jusante contra uma paragem (212, 222) do disco de ventoinha (56).

7. VENTOINHA, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por cada paragem (212, 222) ser formada pela extremidade a jusante da parede cilíndrica (212) e/ou uma borda anular radial (222) que se estende para o interior da parede troncocônica (210).

8. VENTOINHA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 7, caracterizada por uma porca (224) ser montada sobre uma rosca da superfície externa da extremidade a montante do eixo de transmissão a jusante (208) e formar um apoio axial desde a montante na pelo menos uma paragem (222) do disco de ventoinha (56), de modo a manter a paragem (222) apertada axialmente entre a porca e em ao menos um rebordo anular (220) do eixo de transmissão a jusante (208).

9. VENTOINHA, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pela porca (224) ter um diâmetro variando de 105 mm e 135 mm e, de preferência, variando entre 115 mm e 125 mm.

10. VENTOINHA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada por cada sulco (58) do disco de ventoinha possuir: - um fundo de sulco (58), e - uma dimensão radial entre os fundos dos sulcos (58) e a parte superior da nervura (140) compreendido entre 18 mm e 22 mm.

11. VENTOINHA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada por: - cada sulco (58) do disco de ventoinha ter um fundo de sulco (58), e - um calço (142) de espessura radial compreendida entre 1 mm e 3 mm ser intercalado radialmente entre um pé da lâmina (138) e o fundo do sulco (58).

12. VENTOINHA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pela parede interna do disco de ventoinha (56) ser formada por um furo interno cuja forma é troncocônica, alargando a jusante, com a extremidade a montante do furo formando o limite interno do disco de ventoinha (56), o limite interno definindo um raio mínimo do disco de ventoinha (56).

13. VENTOINHA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo disco de ventoinha (56) possuir entre 17 e 21 lâminas, preferivelmente entre 18 e 20 lâminas.

14. VENTOINHA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizada pelo disco de ventoinha (56) ser de liga de titânio, e preferivelmente de liga TA6V ou TI17 ou TA5CD4.

15. MOTOR DE TURBINA, para um turbojato, caracterizado por compreender uma ventoinha, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 14.

Images