BR112016015935B1 - Método de proteção contra incêndios para uma peça de um motor de turbina a gás - Google Patents
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Abstract
MÉTODO DE PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIOS PARA UMA PEÇA DE UM MOTOR DE TURBINA A GÁS. Trata- se de um método para proteção contra incêndios (S) de uma peça (1) de um motor de turbina a gás produzido a partir de material compósito que compreende um reforço fibroso principal comprimido e impregnado por uma matriz principal, sendo que o método de proteção (S) compreende as etapas a seguir: pré-formar (S1) um painel de pré-impregnado (20) para proporcionar ao mesmo um formato correspondente ao formato de uma superfície (3) da peça (1) a ser protegida contra incêndios, sendo que o dito painel de pré-impregnado (20) compreende um reforço fibroso secundário comprimido e impregnado por uma segunda matriz; aplicar (S2) o painel de pré-impregnado (20) assim pré-formado à peça (1); e prender (S3) o painel de pré-impregnado (20) à superfície (3) por tratamento térmico da peça (1) dotada do dito painel de pré-impregnado (20) a fim de obter uma camada de proteção contra incêndios (2).
Description
[001] A invenção refere-se, em geral, a uma turbina a gás para um motor de aeronave que compreende uma peça produzida partir de material compósito que compreende um reforço de fibra densificado por uma matriz de uma turbina a gás, como um invólucro de retenção para uma hélice e seu método de produção associado.
[002] Um motor de turbina a gás compreende, de modo geral, de a montante para a jusante na direção do fluxo de gás, uma hélice, um ou mais estágios de compressor, por exemplo, um compressor de baixa pressão e um compressor de alta pressão, uma câmara de combustão, um ou mais estágios de turbina, por exemplo, uma turbina de alta pressão e uma turbina de baixa pressão e um tubo de descarga de gás.
[003] O motor é alojado dentro de um invólucro que compreende várias peças correspondentes a elementos diferentes do motor. Portanto, a hélice é envolvida, por exemplo, por um invólucro de hélice e compreende flanges em suas extremidades axiais. Um primeiro flange, denominado como flange a montante, permite a preensão de uma luva de entrada de ar ao invólucro, enquanto o segundo flange, denominado como flange a jusante, permite que o invólucro de hélice seja fixado a um invólucro intermediário. No presente contexto, a montante e a jusante são definidas pela direção do fluxo dos gases na turbina a gás.
[004] O motor pode compreender especialmente uma ou mais peças produzidas a partir de materiais compósitos, sendo que os ditos materiais compósitos compreendem um reforço de fibra densificado por um polímero de matriz.
[005] Isso é particularmente o caso do invólucro de hélice. Por exemplo, foi proposto no documento no FR 2 913 053 formar o reforço de fibra enrolando-se em camadas superpostas sobre um mandril uma textura de fibra por tecelagem tridimensional com espessura variada. Esse conjunto de procedimentos integra adicionalmente uma blindagem de retenção no interior do invólucro através do aumento simples localizado de espessura.
[006] O reforço de fibra compreende fibras, especialmente carbono, vidro, aramida ou cerâmica. A matriz como tal é tipicamente uma matriz polimérica, por exemplo, epóxido, bismaleimida ou poli-imida.
[007] Entretanto, a implantação de peças produzidas a partir de material compósito na zona de incêndio significa responder a requisitos regulatórios diferentes para resistência a incêndios. Esses requisitos incluem tanto manter as propriedades mecânicas da peça durante e após o incêndio quanto também extinção imediata da peça uma vez que o evento de incêndio termina. Dessa forma, os testes de incêndio iniciais nos invólucros de hélice produzidos a partir de material compósito mostraram que o material usado não é intrinsecamente autoextinguível (ou retardante de chamas) e, portanto, requer proteção imperativa.
[008] O documento no EP 2 017 072 já propôs um método para fabricar um artigo produzido a partir de material compósito resistente a incêndio que compreende uma camada principal e uma camada contra incêndio produzida a partir de material compósito com uma matriz orgânica, que são tratadas termicamente de modo simultâneo para polimerizar sua matriz.
[009] No caso do invólucro de hélice, o bloco bruto alcançado após a densificação da pré-forma de fibra é geralmente usinado para produzir a geometria final da peça. Em particular, durante essa usinagem vários milímetros são cortados da zona de flange de modo que seja impossível usar proteção contra incêndio coinjetada com a pré-forma, como seria posteriormente eliminado em várias zonas e, portanto, não protegeria suficientemente o invólucro de hélice contra incêndio.
[010] As soluções de incêndio conhecidas atualmente têm, em geral, a capacidade de cobrir o problema de resistência das estruturas a incêndio, mas não resolve o problema de autoextinção. As únicas soluções conhecidas que asseguram a autoextinção das peças produzidas a partir de material compósito consistem em isolar suficientemente o material para evitar que o mesmo se incendeie. Além disso, essas soluções não são fáceis de implantar e são volumosas de modo que as mesmas não sejam possíveis em um motor de turbina a gás.
[011] O documento no U.S. 2005/0076504 também propôs um método para fabricar uma estrutura produzida a partir de material compósito, durante a qual uma camada de CMC (material compósito de matriz cerâmica) é pré-formada e aplicada a um mandril e, então, equipada com peças da estrutura.
[012] Finalmente, o documento no WO 99/48837 descreve um método para fabricar um revestimento isolante produzido a partir de material cerâmico.
[013] Uma meta da invenção é, portanto, garantir a autoextinção de uma peça de um motor de turbina a gás produzida a partir de material compósito que compreende um reforço de fibra densificado por uma matriz polimérica, por exemplo, um invólucro de hélice, de modo industrializável, confiável e eficaz, sem degradar a resistência mecânica da peça.
[014] Para isso, a invenção propõe um método de proteção contra incêndios para uma peça de um motor de turbina a gás produzida a partir de material compósito que compreende um reforço de fibra principal densificado por uma matriz principal, sendo que o método de proteção compreende as etapas a seguir: - pré-formar um painel pré-impregnado com a finalidade de conferir um formato correspondente ao formato de uma superfície da peça a ser protegida contra incêndio, sendo que o dito painel pré-impregnado compreende um reforço de fibra secundário densificado por uma matriz secundária, - aplicar o painel pré-impregnado pré-formado sobre a peça, e - prender o painel pré-impregnado sobre a superfície por tratamento térmico da peça encaixada com o dito painel pré-impregnado para produzir uma camada de proteção contra incêndios.
[015] Algumas características preferenciais, embora não limitadoras, do método descrito acima no presente documento são as seguintes: - o tratamento térmico é realizado a uma temperatura menor do que uma temperatura de degradação da peça, - o reforço de fibra secundário compreende fibras de vidro, - a matriz secundária compreende uma resina epóxi, uma resina fenólica e/ou uma resina de éster de cianato, por exemplo, uma resina do tipo HexPly®M26T/50%035, - o painel pré-impregnado é pré-formado por setores de anel, sendo que os ditos setores de anel são aplicados sobre a superfície da peça a ser protegida com sobreposição, - a matriz secundária compreende uma resina termoplástica e a etapa de pré-formação compreende as subetapas a seguir: pré-formar o painel pré- impregnado a uma temperatura maior do que a temperatura de transição vítrea da resina termoestável para conferir o formato da superfície da peça a ser protegida; aplicar uma película de adesivo entre o painel pré-impregnado pré-formado e a superfície da peça a ser protegida; e em que a etapa de preensão por tratamento térmico é configurada para polimerizar a película de adesivo, - o método compreende adicionalmente uma subetapa durante a qual o movimento para cima e para baixo nos setores de anel é realizado para assegurar a sobreposição dos setores de anel um sobre o outro, - a matriz secundária compreende uma resina termoestável e a etapa de pré-formação compreende uma subetapa de pré-formar o painel pré- impregnado a uma temperatura menor do que a temperatura de polimerização da matriz principal para conferir o formato da superfície da peça a ser protegida, e em que a etapa de preensão por tratamento térmico é configurada para polimerizar a resina termoestável, - a camada de proteção compreende dois painéis pré-impregnados superpostos, e - os painéis pré-impregnados são superpostos e pré-formados simultaneamente durante a etapa de pré-formação.
[016] Outras características, metas e vantagens da presente invenção surgirão a partir da seguinte descrição detalhada e em relação aos desenhos anexos dados a título de exemplos não limitadores e em que: A Figura 1 ilustra um exemplo de uma peça de motor de turbina a gás à qual são aplicadas as realizações exemplificativas dos setores de anel de painéis pré-impregnados pré-formados, A Figura 2 é uma vista em perspectiva de um setor de anel de um painel pré-impregnado pré-formado da Figura 1, e A Figura 3 é um fluxograma que mostra as diferentes etapas de uma realização exemplificativa do método de proteção de uma peça de um motor de turbina a gás de acordo com a invenção.
[017] A seguir, a invenção será descrita mais particularmente no caso de um invólucro de hélice de um motor de turbina a gás, produzido a partir de um material compósito que compreende reforço de fibra tecida, especialmente tridimensional, densificado por um polímero de matriz. No entanto é compreendido que a invenção não é limitada à produção de tal invólucro de hélice, mas também cobre qualquer peça de um motor de turbina a gás produzida a partir de tal material compósito.
[018] Um invólucro de hélice 1 compreende um tambor genericamente cilíndrico 10, que tem uma direção principal que se estende de acordo com um eixo geométrico longitudinal X substancialmente paralelo ao fluxo de gás. O tambor 10 do invólucro pode ter uma espessura variável, como indicado no documento no FR 2 913 053, e pode ser encaixado com um flange a montante 12 e um flange a jusante 14 em suas extremidades a montante e a jusante, respectivamente, para permitir sua montagem e sua fixação a outras peças, incluindo a luva de entrada de ar, o invólucro intermediário ou até mesmo a virola anular.
[019] O flange a montante 12 e o flange a jusante 14 são de formato anular e se estendem coaxialmente até o eixo geométrico longitudinal X do invólucro de hélice 1.
[020] O flange a montante 12 compreende uma face radial a montante (voltada para o fluxo) e uma face radial a jusante (voltada para o flange a jusante 14). O flange a montante 12 compreende adicionalmente um topo anular que estende coaxialmente até o eixo geométrico longitudinal X entre a face a montante e a face a jusante, a uma distância do tambor 10. De forma semelhante, o flange a jusante 14 tem uma face radial a montante (voltada para o flange a montante 12) e uma face radial a jusante 34 (voltada para a face a montante). O flange a jusante 14 compreende adicionalmente um topo anular que estende coaxialmente até o eixo geométrico longitudinal X entre sua face a montante e sua face a jusante, a uma distância do tambor 10.
[021] No presente contexto, o invólucro de hélice 1 é produzido a partir de material compósito que compreende um reforço de fibra principal densificado por uma matriz principal. O reforço principal pode compreender especialmente as fibras de carbono, vidro, aramida ou cerâmica e a matriz pode ser produzida a partir de material de polímero, por exemplo, do tipo epóxido, bismaélico ou poli-imida.
[022] O reforço principal pode ser formado enrolando-se sobre um mandril uma textura de fibra produzida a partir da tecelagem tridimensional com espessura variada de acordo com a descrição do pedido no FR 2 913 053, o reforço de fibra que constitui uma pré-forma de fibra completa do invólucro de hélice 1 formado em uma única peça, em que as peças de reforço correspondem aos flanges.
[023] Para proteger a peça 1 no caso de aumento excessivo em temperatura que provavelmente prejudicará sua operação adequada, especialmente no evento de incêndio, a invenção propõe aplicar uma camada de proteção 2 às suas superfícies 3 a serem protegidas.
[024] Em particular, a camada de proteção 2 é configurada para limitar a extensão da zona degradada por chamas e beneficia sua extinção limitando-se a taxa de calor e a faixa de temperaturas do gás exaurido pela degradação da matriz principal do material compósito que forma a peça 1.
[025] No caso do invólucro de hélice 1, as superfícies 3 a serem protegidas compreendem principalmente a face radial a montante e a face radial a jusante do flange a montante 12, a face externa do tambor e a face radial a montante do flange a jusante 14.
[026] O depositante constatou que somente uma pequena superfície sensível a incêndio do invólucro de hélice 1 precisa ser exposta ao incêndio de modo que a completude do invólucro de hélice 1 seja degradado. Então, em uma realização, qualquer superfície do invólucro de hélice 1 que provavelmente será exposta a chamas e que tem um comprimento na direção X maior ou igual a 2 mm é, de preferência, protegida contra incêndio. Por exemplo, o topo do flange a montante 12 tem um comprimento axial maior do que 2 mm, tipicamente da ordem de 10 mm. O topo do flange a montante 12, que provavelmente, de modo eficaz, será exposto a incêndio, é, portanto, de preferência, coberto por uma camada de proteção 2.
[027] No entanto, devido ao flange a jusante 14 ser geralmente recortado e, portanto, intrinsecamente mais bem protegido contra incêndio do que o flange a montante 12, o mesmo não exige necessariamente proteção contra incêndios e pode, portanto, não ser coberto por uma camada de proteção 2 contra incêndio. Entretanto, o flange a jusante 14 pode ser coberto de forma preventiva.
[028] A camada de proteção 2 contra incêndio pode compreender especialmente um ou mais painéis pré-impregnados 20 que compreendem um reforço de fibra secundário densificado por uma matriz secundária.
[029] A camada de proteção 2 é, de preferência, aplicada diretamente à peça 1, após a mesma ser usinada. Tipicamente, no caso de um invólucro de hélice 1, a camada de proteção 2 pode ser aplicada após as etapas de polimerizar a matriz principal e usinar o invólucro de hélice 1.
[030] O painel pré-impregnado 20 pode, em primeiro lugar, ser pré-formado S1 com a finalidade de conferir um formato correspondente ao formato da superfície 3 da peça 1 a ser protegida contra incêndio. O painel pré- impregnado 20 pode, então, ser aplicado S2 à(s) superfície(s) 3 a ser(em) protegida(s), e então afixado S3 a essas superfícies 3 por tratamento térmico adaptado da peça 1.
[031] A etapa de pré-formação S1 do painel pré-impregnado 20 reduz de forma significativa o tempo necessário para a aplicação S2 do painel 20 à peça 1. Além disso, a pré-forma assegura que a superfície inteira a ser protegida seja coberta, restringindo a necessidade de controlar o trabalho dos operadores.
[032] No caso do invólucro de hélice 1, que é de formato anular, o painel pré-impregnado 20 pode ser pré-formado S1 nos setores de anel. A setorização do painel 20 torna fácil a aplicação sobre o invólucro para formar a camada de proteção anular 2 e cobrir toda a superfície 3 a ser protegida do invólucro de hélice 1.
[033] De preferência, os setores de anel são aplicados S2 com sobreposição (isto é, com cobertura parcial do setor de anel adjacente) para aprimorar a proteção contra incêndios e a resistência mecânica da camada de proteção resultante 2.
[034] Um exemplo de painel pré-impregnado 20 no formato de setores de anel foi ilustrado nas Figuras 1 e 2.
[035] O reforço de fibra secundário compreende, de preferência, fibras de vidro, enquanto a matriz secundária pode compreender uma resina com a capacidade de proteger termicamente a peça 1 contra incêndio criando-se um espaço de ar entre a camada de proteção 2, que é exposta diretamente ao incêndio, e a peça 1, e protege a peça 1 reduzindo-se a faixa de temperaturas e a taxa de gases de decomposição. Tipicamente, as resinas mais adaptadas podem compreender resinas com a capacidade de dilatar sob o efeito de calor e delaminar a camada de proteção 2 para criar o espaço de ar isolante e reduzir a transferência de calor dentro do reforço tridimensional. A extensão da zona degradada após a exposição ao incêndio é, portanto, mais limitada e a faixa de temperaturas é menos alta do que no caso de uma peça 1 que não tem tal camada de proteção 2. Visto que a camada de proteção 2 é a primeira camada exposta ao incêndio, sua matriz secundária se degrada, produzindo a delaminação e criando um espaço de ar que protege a peça 1 e desacelera o espalhamento do incêndio.
[036] A resina da matriz secundária é selecionada, adicionalmente, de modo que a preensão S3 do painel pré-impregnado 20 sobre a peça 1 possa ser alcançada em uma temperatura menor do que a temperatura de degradação da peça 1. No caso de um invólucro de hélice 1, a temperatura de degradação da peça 1 é da ordem de 135 °C. O tratamento térmico deve, portanto, ter a capacidade de ser realizado em uma temperatura da ordem de 120 °C a 125 °C. Ao mesmo tempo, para não degradar durante a operação normal do motor, a resina da matriz secundária deve ter uma temperatura de transição vítrea maior do que a temperatura de operação do motor. Por exemplo, a resina pode ser da classe térmica 180 °C.
[037] Dado o acima, a matriz secundária pode, por exemplo, compreender uma resina epóxi, uma resina fenólica e/ou uma resina de éster de cianato, como uma resina do tipo HexPly®M26T/50%035.
[038] A pré-formação S1 da camada de proteção 2 pode variar como uma função do tipo de matriz secundária que compõe o pré-impregnado.
[039] Então, para uma matriz secundária que compreende uma resina termoestável, o painel 20 é pré-formado S11 em uma temperatura menor do que a temperatura de polimerização da resina que forma a matriz principal do material compósito da peça 1. O painel 20 tem, portanto, uma rigidez mínima e pode se conformar ao formato do invólucro. A preensão S3 do painel pré- impregnado 20 à peça 1 pode ser alcançada conduzindo-se o tratamento térmico da peça 1 encaixada com o painel pré-impregnado 20 para polimerizar a resina termoestável.
[040] Como uma variante, a matriz secundária pode compreender uma resina termoplástica. Nessa realização variante, o painel 20 é pré-formado S12 a uma temperatura maior do que a temperatura de fusão da matriz principal do material compósito da peça 1. O painel resultante 20 é, portanto, rígido. A preensão S3 do painel pré-impregnado 20 sobre a peça 1 pode ser alcançada por adesão do painel pré-impregnado 20 sobre a superfície correspondente 3 da peça 1, por exemplo, por meio de uma resina termoestável aplicada entre o painel pré-impregnado 20 e a superfície 3 da peça a ser protegida, como a resina epóxi. Para esse propósito, o tratamento térmico da peça 1 encaixada com o painel pré-impregnado 20 é realizado para polimerizar a resina termoestável.
[041] Quando o painel 20 for aplicado no formato dos setores de anel, o movimento para cima e para baixo S13 dos setores de anel pode ser feito para assegurar sua sobreposição.
[042] Independente do tipo de resina selecionada, a etapa de preensão S3 pode ser conduzida pelo tratamento térmico (seja para a polimerização da matriz secundária ou do adesivo) a uma temperatura menor do que a temperatura de degradação da matriz principal do material compósito da peça 1 e, se necessário, sob pressão. No caso em que a resina tem uma temperatura de polimerização maior do que essa temperatura de degradação, o tratamento térmico é, portanto, realizado a uma temperatura menor do que a temperatura de polimerização da resina. Consequentemente, a duração do tratamento térmico deve ser adaptada para assegurar a polimerização da resina.
[043] Por exemplo, para um invólucro de hélice convencional 1 a temperatura de degradação da peça 1 é da ordem de 135 °C. O tratamento térmico pode, portanto, ser executado a uma temperatura da ordem de 120 °C a 125 °C ao longo de um tempo de ciclo relativamente longo, de preferência maior do que 4 horas para assegurar a polimerização da resina termoestável ou do adesivo, de acordo com o tipo de matriz secundária selecionada.
[044] De preferência, vários painéis 20 são superpostos para formar a camada de proteção 2.
[045] Quando os painéis 20 forem aplicados em setores de anel sobre a peça 1, cada setor de anel pode, portanto, compreender vários painéis superpostos e pré-formados 20. Os painéis pré-impregnados pré-formados 20 são, então, aplicados ao invólucro de hélice 1, então afixados por tratamento térmico.
[046] O número de painéis superpostos 20 pode depender da dimensão da peça 1, da capacidade do pré-impregnado selecionado para atrasar ou pelo menos desacelerar o surgimento de incêndio e do peso total da camada de proteção resultante 2. Por exemplo, no caso de um invólucro de hélice 1, dois painéis 20 podem ser superpostos em cada setor de anel da camada de proteção 2 para proteger de forma eficaz o invólucro de hélice 1 do incêndio.
Claims (10)
1. MÉTODO DE PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIOS (S) PARA UMA PEÇA (1) DE UM MOTOR DE TURBINA A GÁS, produzida a partir de um material compósito que compreende um reforço de fibra principal densificado por uma matriz principal, caracterizado pelo método de proteção (S) compreender as etapas a seguir: - pré-formar (S1) um painel pré-impregnado (20) com a finalidade de conferir um formato correspondente ao formato de uma superfície (3) da peça (1) a ser protegida contra incêndio, sendo que o painel pré-impregnado (20) compreende um reforço de fibra secundário densificado por uma matriz secundária, - aplicar (S2) o painel pré-impregnado (20) pré-formado sobre a peça (1), e - prender (S3) o painel pré-impregnado (20) sobre a superfície (3) por tratamento térmico da peça (1) encaixada com o painel pré-impregnado (20) para produzir uma camada de proteção (2) contra incêndios.
2. MÉTODO DE PROTEÇÃO (S), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo tratamento térmico ser realizado em uma temperatura menor do que uma temperatura de degradação da peça (1).
3. MÉTODO DE PROTEÇÃO (S), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo reforço de fibra secundário compreender fibras de vidro.
4. MÉTODO DE PROTEÇÃO (S), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pela matriz secundária compreender uma resina epóxi, uma resina fenólica e/ou uma resina de éster de cianato.
5. MÉTODO DE PROTEÇÃO (S), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo painel pré-impregnado (20) ser pré- formado por setores de anel, sendo que os setores de anel são aplicados sobre a superfície (3) da peça (1) para serem protegidos com sobreposição.
6. MÉTODO DE PROTEÇÃO (S), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pela matriz secundária compreender uma resina termoplástica e a etapa de pré-formação (S1) compreender as subetapas a seguir: - pré-formar (S12) o painel pré-impregnado (20) a uma temperatura maior do que a temperatura de transição vítrea da resina termoestável para conferir o formato da superfície (3) da peça (1) a ser protegida, - aplicar (S14) uma película de adesivo entre o painel pré- impregnado pré-formado (20) e a superfície (3) da peça (1) a ser protegida, e em que a etapa de preensão (S3) por tratamento térmico é configurada para polimerizar a película de adesivo.
7. MÉTODO DE PROTEÇÃO (S), de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 6, caracterizado por compreender adicionalmente uma subetapa (S13) durante a qual o movimento para cima e para baixo nos setores de anel é realizado para assegurar a sobreposição dos setores de anel um sobre o outro.
8. MÉTODO DE PROTEÇÃO (S), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pela matriz secundária compreender uma resina termoestável e a etapa de pré-formação (S2) compreender uma subetapa de pré-formar (S11) o painel pré-impregnado (20) a uma temperatura menor do que a temperatura de polimerização da matriz principal para conferir o formato da superfície (3) da peça (1) a ser protegida, e em que a etapa de fixação (S3) por tratamento térmico é configurada para polimerizar a resina termoestável.
9. MÉTODO DE PROTEÇÃO (S), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pela camada de proteção (2) compreender dois painéis pré-impregnados superpostos (20).
10. MÉTODO DE PROTEÇÃO (S), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelos painéis pré-impregnados (20) serem superpostos e pré-formados simultaneamente durante a etapa de pré-formação (S1).
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