BR112016028347B1

BR112016028347B1 - Rotor para turbomáquina que compreende pás com plataformas adicionais

Info

Publication number: BR112016028347B1
Application number: BR112016028347-3A
Authority: BR
Inventors: Nicolas TRAPPIER; Antoine Jean-Philippe Beaujard
Original assignee: Safran Aircraft Engines
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2015-06-03
Publication date: 2022-08-09
Also published as: BR112016028347A2; CA2951014A1; EP3152404B1; CN106536862B; CN106536862A; US20170218778A1; US10138737B2; RU2016151174A3; FR3021691B1; CA2951014C; RU2016151174A; EP3152404A1; RU2692863C2; BR112016028347A8; FR3021691A1; WO2015185860A1

Abstract

ROTOR PARA TURBOMÁQUINA QUE COMPREENDE PÁS COM PLATAFORMAS ADICIONAIS. A invenção visa fornecer um rotor a uma turbomáquina que compreende: um disco que apresenta cavidades em sua periferia, denominadas cavidades primárias; uma pluralidade de pás (100), que apresentam uma base (110) que consiste em, na porção inferior da mesma, um bulbo (120) travado axialmente nas ditas cavidades primárias; uma pluralidade de plataformas adicionais (300, 400), em que cada uma está disposta entre duas pás (100) consecutivas; sendo que o dito rotor é distinguido pelo fato de que as ditas plataformas (300, 400) apresentam: uma placa substancialmente retilínea (301, 401) e um bulbo (302, 402) que se estende radialmente sob a placa (301, 401), sendo que o dito bulbo (302, 402) é travado axialmente nas cavidades secundárias dispostas na periferia do disco, em que as cavidades secundárias estão posicionadas entre duas cavidades primárias consecutivas; um spoiler (310, 410) que se estende de modo substancialmente axial, em que o dito spoiler (310, 410) forma um setor anular disposto voltado para pelo menos duas pás consecutivas.

Description

CAMPO DA TÉCNICA DA INVENÇÃO

[0001] O campo da técnica da invenção é aquele dos rotores para turbomáquina, tal como, por exemplo, um turborreator ou um turbo-hélice de avião que compreende uma pluralidade de pás de plataformas remotas. Esses rotores são nomeadamente destinados a um ventilador, a um estágio de compressão ou ainda a um estágio de turbina de alta ou baixa pressão de uma turbomáquina.

[0002] A invenção visa mais particularmente as plataformas de pás de um rotor para um estágio de turbina de alta ou baixa pressão de uma turbomáquina, mas esta pode ser aplicada igualmente a plataformas de outros conjuntos rotativos da turbomáquina, como, por exemplo, o ventilador ou ainda o estágio de compressão. FUNDAMENTOS TECNOLÓGICOS DA INVENÇÃO

[0003] Convencionalmente, um rotor, por exemplo, de uma turbina de baixa ou alta pressão, compreende um disco, uma série de pás radiais montadas nos alojamentos axiais, chamados cavidades, feitos na periferia do disco, e uma série de plataformas que formam um veio anular no qual circula o gás que atravessa a turbina.

[0004] As pás, nomeadamente as pás de turbina, são convencionalmente feitas de metal em uma única peça de fundição. A fabricação das pás por fundição permite obter boas tolerâncias dimensionais, mas, em contrapartida, as pás metálicas apresentam um inconveniente principal: sua massa importante.

[0005] A fim de corrigir esse problema de massa, e em um objetivo geral de redução das massas de um rotor de turbomáquina, foi proposto fazer as pás de material compósito de matriz cerâmica (CMC). No entanto, a fabricação de tais pás de CMC é relativamente complexa e mal controlada, nomeadamente no nível da realização da base das pás e no nível das plataformas.

[0006] Assim, historicamente, a fim de facilitar a fabricação dessas pás, foi proposto fazer separadamente as plataformas das pás e em seguida montar as mesmas sobre o disco. Assim, diferentes sistemas de fixação das plataformas adicionais sobre os discos foram desenvolvidos.

[0007] Por exemplo, o documento no EP1306523 descreve um rotor que compreende um disco dotado de cavidades, nas quais são fixadas por sua vez as pás e as plataformas.

[0008] O documento no FR2608674 propõe uma alternativa em relação ao documento anterior. O documento descreve um rotor para turbomáquina que compreende um disco dotado de cavidades primárias nas quais são inseridas axialmente as bases de pá de cerâmica compósita e dotado de cavidades secundárias nas quais são inseridas axialmente bulbos que formam meios de preensão das plataformas adicionais sobre o disco. No entanto, na configuração descrita no documento, gases podem se infiltrar entre as plataformas e o disco, nomeadamente no nível das cavidades do disco, o que tem como efeito a deterioração do disco. Além disso, a geometria proposta provoca uma montagem/desmontagem complexa.

[0009] Apesar do interesse das plataformas adicionais conhecidas no estado da técnica que permitem adicionalmente facilitar a montagem e a desmontagem do rotor, nenhuma solução foi proposta para reduzir de maneira significativa as tensões no nível do disco de um rotor que compreende uma pluralidade de pás metálicas. DESCRIÇÃO GERAL DA INVENÇÃO

[0010] Nesse contexto, a invenção tem nomeadamente como objetivo proporcionar uma solução simples, eficaz e econômica para esse problema propondo-se um rotor de pás metálicas, cujo processo de fabricação é controlado, limitando as tensões do disco no nível dos prendedores das pás.

[0011] Para esse fim, a invenção propõe um rotor para turbomáquina que compreende: - um disco que apresenta, em sua periferia, cavidades, denominadas cavidades primárias; - uma pluralidade de pás que apresenta uma base constituída na parte inferior por um bulbo travado axialmente nas ditas cavidades primárias; - uma pluralidade de plataformas adicionais, em que cada uma está disposta entre duas pás consecutivas; sendo que o dito rotor é distinguido pelo fato de que as ditas plataformas apresentam: - uma placa substancialmente retilínea e um bulbo que se estende radialmente sob a placa, em que o dito bulbo é travado axialmente nas cavidades secundárias dispostas na periferia do disco, em que as cavidades secundárias são posicionadas entre duas cavidades primárias consecutivas; - um spoiler que se estende de modo substancialmente axial, em que o dito spoiler forma um setor anular disposto voltado para pelo menos duas pás consecutivas.

[0012] Assim, o rotor de acordo com a invenção apresenta várias vantagens: - a invenção propõe um modo de fixação das plataformas adicionais que permite libertar-se de uma fixação nas cavidades do disco que contêm os bulbos das pás de maneira a limitar as tensões no bulbo e assim aumentar o número de pás; - as plataformas adicionais de forma retilínea que cooperam com as pás permitem facilitar a montagem/desmontagem das pás, assim como das plataformas; de fato, contrariamente ao rotor do documento no FR2608674 de acordo com estado da técnica que necessita montar simultaneamente o conjunto das pás e das plataformas, é doravante possível, devido à invenção, efetuar uma montagem/desmontagem das pás sozinhas, e então uma montagem/desmontagem das plataformas ou ainda uma montagem alternada de uma pá e então de uma plataforma.

[0013] Vantajosamente, as plataformas adicionais que apresentam uma placa retilínea e spoilers integrados, assim como o modo de fixação das plataformas sobre o disco nas cavidades secundárias permite, para uma arquitetura dada, tornar possível a montagem com uma geometria de pá que apresenta uma altura de coluna reduzida em relação às pás conhecidas. A redução da altura relativa da coluna no nível da base da pá permite, assim, reduzir a massa total de cada pá metálica do rotor. Consequentemente, devido à redução de massa das pás, as tensões no nível dos prendedores das pás são reduzidas.

[0014] A montagem de tal pá com uma altura de coluna reduzida (em outros termos, com um bulbo mais próximo da lâmina) é permitida devido à utilização combinada das plataformas retilíneas adicionais que apresentam vantajosamente uma primeira série que integra os spoilers a montante e uma segunda série que integra os spoilers a jusante, assim como a seu modo de fixação axial e radial sobre o disco, nomeadamente por meio das cavidades secundárias. Evidentemente, as dimensões do disco do rotor são adaptadas para permitir a montagem do conjunto. Assim, devido à invenção, é possível fazer uma montagem que tem um spoiler radialmente posicionado no mesmo nível que o bulbo da pá ou ainda em um nível inferior daquele.

[0015] Assim, o rotor de acordo com a invenção permite resolver os problemas de esforços do disco em funcionamento e permite fazer uma redução de massa da ordem de 20% em relação aos rotores de pás metálicas conhecidos do estado da técnica.

[0016] A geometria particular da invenção permite igualmente realizar, devido aos spoilers, uma cobertura térmica eficaz sem modificação da arquitetura do ambiente, e particularmente do estator da turbina.

[0017] Vantajosamente, as plataformas são formadas por: - uma primeira série, denominadas plataformas a montante, que apresenta um spoiler a montante que se estende de modo substancialmente axial na direção a montante, em que o dito spoiler a montante forma um setor anular disposto voltado para pelo menos duas pás consecutivas; - uma segunda série, denominadas plataformas a jusante, que apresenta um spoiler a jusante que se estende de modo substancialmente axial na direção a jusante, em que o dito spoiler a jusante forma um setor anular disposto voltado para pelo menos duas pás consecutivas; em que as duas séries de plataformas são posicionadas alternativamente nas cavidades secundárias.

[0018] Além das características que foram levantadas no parágrafo anterior, o rotor de acordo com a invenção pode apresentar uma ou mais características complementares dentre as seguintes, consideradas individualmente ou de acordo com todas as combinações tecnicamente possíveis: - cada uma das plataformas compreende: - uma primeira borda lateral retilínea que se encaixa na base de uma primeira pá que apresenta um rebordo retilíneo, - uma segunda borda lateral retilínea que se encaixa na base de uma segunda pá consecutiva, que apresenta um rebordo retilíneo; - os spoilers a montante das plataformas a montante e os spoilers a jusante das plataformas a jusante são formados por uma primeira parede substancialmente radial conectada à placa e por uma segunda parede substancialmente axial; - a segunda parede do spoiler a montante é radialmente posicionada no mesmo nível que o bulbo da pá ou em um nível inferior do bulbo da pá; - cada uma das plataformas compreende: - uma abertura no nível da dita primeira parede substancialmente radial do spoiler; - uma parede lateral orientada de modo substancialmente radial, situada em uma extremidade oposta do spoiler; em que cada uma das paredes laterais de uma série de plataformas é adaptada para cooperar com a fenda da outra série de plataformas; - as plataformas são metálicas; - as pás são metálicas.

[0019] A invenção tem igualmente como objeto uma turbomáquina que compreende um rotor de acordo com a invenção.

[0020] A invenção e suas diferentes aplicações serão mais bem compreendidas mediante a leitura da descrição a seguir e a análise das figuras anexas.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0021] As figuras são apresentadas a título de indicação e de nenhum modo são limitantes da invenção.

[0022] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de uma parte de um rotor de turbomáquina de acordo com a invenção.

[0023] A Figura 2 é uma vista em perspectiva que ilustra uma plataforma a montante de um rotor de acordo com a invenção;

[0024] A Figura 3 é uma vista em perspectiva que ilustra uma plataforma a jusante de um rotor de acordo com a invenção;

[0025] A Figura 4 é uma vista em perspectiva que ilustra uma base de pá de um rotor de acordo com a invenção;

[0026] A Figura 5 é uma vista em corte transversal que ilustra uma parte do disco do rotor de acordo com a invenção.

[0027] A Figura 6 é uma vista em perspectiva de uma parte de um rotor de turbomáquina de acordo com a invenção que ilustra mais particularmente um exemplo de realização de um meio de manutenção axial das plataformas adicionais de um rotor de acordo com a invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE UM EXEMPLO DE REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO

[0028] Exceto quando especificado o contrário, um mesmo elemento que aparece nas diferentes figuras apresenta uma referência única.

[0029] Os termos a montante e a jusante são definidos em relação ao sentido de circulação do fluido durante o funcionamento da turbomáquina.

[0030] A Figura 1 é uma vista que ilustra em perspectiva uma parte de um rotor de turbomáquina de acordo com a invenção. Mais precisamente, a Figura 1 ilustra quatro bases 110 de pá 100 (em que as lâminas não são representadas), assim como quatro plataformas adicionais 300, 400 posicionadas entre as pás 100, em que o conjunto está virtualmente em posição em um disco 600 (não representado na Figura 1) de um conjunto rotativo formado pelo rotor.

[0031] A Figura 2 ilustra mais particularmente uma plataforma a montante 300 de um rotor de acordo com a invenção.

[0032] A Figura 3 ilustra mais particularmente uma plataforma a jusante 400 de um rotor de acordo com a invenção.

[0033] A Figura 4 ilustra mais particularmente uma base de pá 110 de um rotor de acordo com a invenção.

[0034] O rotor para turbomáquina, tal como, por exemplo, um turborreator ou um turbo-hélice de avião, compreende um disco anular 600, representado em parte na Figura 5. A periferia externa do disco 600 compreende uma primeira pluralidade de cavidades 601, denominadas cavidades primárias (em que duas cavidades primárias são representadas a título de exemplo na Figura 5), por exemplo, em forma de cauda de andorinha, para permitir a montagem axial das bases 110 de pá 100. O disco 600 compreende igualmente, em sua periferia externa, cavidades secundárias 602 posicionadas entre duas cavidades primárias consecutivas 601. As cavidades secundárias 602 podem igualmente apresentar uma forma de cauda de andorinha ou quaisquer outras formas usualmente utilizadas para a fixação das pás sobre o disco 600. De acordo com o modo de realização representado na Figura 5, as cavidades secundárias 602 são menos profundas que as cavidades primárias 601 e têm dimensões mais reduzidas.

[0035] O rotor compreende igualmente pás 100 formadas por uma lâmina (simbolizada na Figura 4 pelo perfil hachurado 140 que representa a seção da lâmina no nível de sua ligação com a base de pá 110) que se estende radialmente para cima de uma base 110 que apresenta uma coluna 130 e um bulbo 120 na parte inferior, por exemplo, em forma de cauda de andorinha, para a fixação e a manutenção das pás 100 nas cavidades primárias 601 do disco 600. Evidentemente, os bulbos 120 das pás apresentam uma forma complementar à forma das cavidades primárias 601 do disco 600. A base 110 das pás 100 apresenta igualmente na parte superior da coluna 130 uma placa 111, denominada placa intermediária de pá, substancialmente de forma retilínea e que forma um “suporte” de material com capacidade para garantir a manutenção e a absorção dos esforços sofridos pela lâmina.

[0036] O rotor compreende igualmente plataformas 300, 400 (ilustradas mais particularmente nas Figuras 2 e 3) que são peças adicionais, não acopladas às pás, que apresentam uma parte central 301, 401 que forma uma placa, que podem apresentar uma inclinação em relação ao eixo geométrico de revolução do rotor. A placa 301, 401 é prolongada, por um lado, por uma parede lateral 303, 403 que se estende de acordo com uma direção radial e, por outro lado, por um spoiler 310, 410.

[0037] Os spoilers 310, 410 integrados às plataformas adicionais 300, 400 são constituídos por uma primeira parede 304, 404 que se estende radialmente, denominada parede radial, diretamente conectada à placa 301, 401, e por uma segunda parede 305, 405, denominada parede axial, ligada à primeira parede 304, 404 e que se estende de acordo com uma direção axial. Os spoilers 310, 410 de cada plataforma constituem setores de um conjunto anular formado pela pluralidade de spoilers em posição sobre o disco 600 do rotor. De acordo com um exemplo de realização, o tamanho do setor anular formado pelo spoiler de cada plataforma é determinado de modo que o spoiler cubra duas pás consecutivas.

[0038] Em uma realização alternativa, várias plataformas podem ser ligadas entre si por um spoiler comum e assim se estender sobre um setor angular mais largo e o spoiler cobrir mais de duas pás consecutivas. Um setor angular maior permite diminuir o número de interfaces entre spoilers e assim limitar os vazamentos de ar, no entanto, além de um certo setor angular, as tensões de dilatação térmicas relativas se tornam limitantes.

[0039] As placas 301, 401 são ligadas a um bulbo 302, 402 que se estende radialmente sob as plataformas 301, 401, e que permite travar radialmente as plataformas 300, 400 nas cavidades secundárias 602 do disco anular 600. De acordo com um exemplo de realização da invenção, o bulbo 302, 402 das plataformas 300, 400 é disposto no meio da placa 301, 401.

[0040] O rotor de acordo com a invenção compreende dois tipos de plataformas: as plataformas 300, denominadas a montante, que compreendem um spoiler 310 destinado a ser posicionado a montante das pás, ilustrado nomeadamente na Figura 2, e as plataformas 400, denominadas a jusante, que compreendem um spoiler 410 destinado a ser posicionado a jusante das pás, ilustrado nomeadamente na Figura 3. Cada tipo de plataforma 300, 400 é posicionado sobre o disco 600 de maneira alternada entre duas pás 100 consecutivas.

[0041] Quando as plataformas adicionais 300, 400 estão em posição nas cavidades secundárias 602 do disco 600 entre as pás 100, como ilustrado na Figura 1, as placas 301, 401 das plataformas 300, 400 preenchem o espaço entre as placas intermediárias 111 das pás 100. Assim, os rebordos laterais retilíneos 312, 313, 412, 413 das placas 301, 302 são adaptadas para se encaixar nos rebordos laterais retilíneos 112, 113 das placas intermediárias 111 das bases das pás 100.

[0042] No nível da parede radial 304 do spoiler 310 das plataformas a montante 300, é disposta uma abertura 315, ou corte, destinada a receber a parede lateral 403 da plataforma a jusante 400 quando as plataformas 300, 400 estão em posição nas cavidades secundárias 602, de maneira a formar um spoiler anular a montante contínuo.

[0043] De maneira idêntica, a parede radial 404 do spoiler 410 das plataformas a jusante 400 compreende uma abertura 415 destinada a receber a parede lateral 303 da plataforma a montante 300 quando as plataformas 300, 400 estão em posição, de maneira a formar um spoiler anular a jusante contínuo.

[0044] De acordo com um primeiro modo de realização, o travamento axial das pás e plataformas 300, 400 adicionais nas cavidades secundárias 602 é feito convencionalmente por meios ad hoc, tais como, por exemplo, virolas anulares que irão bloquear os deslocamentos axiais das pás e das plataformas 300, 400.

[0045] De acordo com um segundo modo de realização ilustrado particularmente na Figura 6, as plataformas adicionais 300, 400 são mantidas axialmente por meio de uma junta anular fendida 500 e de uma virola anular (não representada) que se apoia na junta anular 500 de maneira a bloquear sua posição axial. Para isso, as plataformas 300, 400 compreendem meios de manutenção formados por uma ranhura 421 de forma anular situada na parte a jusante das plataformas e cujas dimensões são adaptadas para receber e manter em posição a parte periférica exterior da junta anular fendida 500. Assim, os deslocamentos axiais das plataformas 300, 400 são bloqueados pela junta anular 500 quando essa é restringida por uma virola anular convencional no nível de sua parte periférica interior.

[0046] De acordo com esse modo de realização, as pás são mantidas axialmente pelas plataformas adicionais 300, 400.

[0047] Vantajosamente, as pás e as plataformas adicionais são metálicas.

[0048] A invenção foi particularmente descrita para pás metálicas e plataformas metálicas; entretanto, a invenção é igualmente aplicável a pás de material compósito de matriz cerâmica (CMC) e/ou a plataformas de material compósito de matriz cerâmica (CMC).

[0049] A invenção foi particularmente descrita para um estágio de turbina de alta ou baixa pressão de uma turbomáquina; entretanto, a invenção é igualmente aplicável a outros conjuntos rotativos da turbomáquina, como, por exemplo, o ventilador

Claims

1. Rotor para turbomáquina que compreende: - um disco que apresenta, em sua periferia, cavidades, denominadas cavidades primárias; - uma pluralidade de pás (100) que apresenta uma base (110) constituída na parte inferior por um bulbo (120) travado nas ditas cavidades primárias; - uma pluralidade de plataformas adicionais (300, 400), em que cada uma está disposta entre duas pás (100) consecutivas; sendo que o dito rotor é caracterizado pelo fato de que as ditas plataformas (300, 400) apresentam: - uma placa (301, 401) substancialmente retilínea e um bulbo (302, 402) que se estende radialmente sob a placa (301, 401), em que o dito bulbo (302, 402) é travado nas cavidades secundárias dispostas na periferia do disco, em que as cavidades secundárias são posicionadas entre duas cavidades primárias consecutivas; - um spoiler (310, 410) que se estende de modo substancialmente axial, em que o dito spoiler (310, 410) forma um setor anular disposto voltado para pelo menos duas pás consecutivas.

2. Rotor para turbomáquina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as ditas plataformas são formadas por: - uma primeira série (300), denominadas plataformas a montante, que apresenta um spoiler a montante (310) que se estende de modo substancialmente axial na direção a montante, em que o dito spoiler a montante (310) forma um setor anular disposto voltado para pelo menos duas pás consecutivas; - uma segunda série (400), denominadas plataformas a jusante, que apresenta um spoiler a jusante (410) que se estende de modo substancialmente axial na direção a jusante, em que o dito spoiler a jusante (410) forma um setor anular disposto voltado para pelo menos duas pás consecutivas; em que as duas séries de plataformas (300, 400) são posicionadas alternativamente nas cavidades secundárias.

3. Rotor para turbomáquina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que cada uma das plataformas compreende: - uma primeira borda lateral retilínea que se encaixa na base de uma primeira pá que apresenta um rebordo retilíneo, - uma segunda borda lateral retilínea que se encaixa na base de uma segunda pá consecutiva, que apresenta um rebordo retilíneo.

4. Rotor para turbomáquina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 e 3, caracterizado pelo fato de que os spoilers a montante (310) das plataformas a montante (300) e os spoilers a jusante (410) das plataformas a jusante (400) são formados por uma primeira parede substancialmente radial (304, 404) conectada à placa (301, 401) e por uma segunda parede (305, 405) substancialmente axial.

5. Rotor para turbomáquina, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a segunda parede (305) do spoiler a montante (310) é radialmente posicionada no mesmo nível que o bulbo (120) da pá ou em um nível inferior do bulbo (120) da pá (100).

6. Rotor para turbomáquina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 5, caracterizado pelo fato de que cada uma das plataformas compreende: • uma abertura (315, 415) no nível da dita primeira parede substancialmente radial (304, 404) do spoiler (305, 405); • uma parede lateral (303, 403) orientada de modo substancialmente radial, situada em uma extremidade oposta do spoiler (305); em que cada uma das paredes laterais (303) de uma série de plataformas é adaptada para cooperar com a fenda da outra série de plataformas.

7. Rotor para turbomáquina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que as plataformas são metálicas.

8. Rotor para turbomáquina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que as pás são metálicas.

9. Rotor para turbomáquina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que compreende uma junta anular fendida (500) mantida em posição axial por um flange anular, em que a dita pluralidade de plataformas adicionais (300, 400) compreende meios de manutenção axial (421) dispostos para cooperar com a dita junta anular fendida (500) de maneira a bloquear os deslocamentos axiais das ditas plataformas (300, 400).

10. Turbomáquina, caracterizada pelo fato de que compreende um rotor, tal como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9.