BR112017000100B1 - Processo para fabricação de uma pá com dois componentes para um motor de turbina a gás - Google Patents

Processo para fabricação de uma pá com dois componentes para um motor de turbina a gás Download PDF

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Abstract

a invenção refere-se a um processo para fabricação de uma pá com dois componentes para um motor de turbina a gás, que compreende consecutivamente a obtenção de um perfil de pá (24) feito de material cerâmico compreendendo um furo que passa através do perfil de pá de um lado ao outro na direção de seu comprimento a fim de formar um canal longitudinal (28) que se abre para dentro de uma cavidade superior (26a), posicionando e segurando um perfil de pá em um molde (30) de modo a formar uma cavidade inferior (26b) que se comunica com o canal (28) do perfil de pá, despejando o metal em fusão dentro do perfil de pá de modo a encher as cavidades superior e inferior e o canal que conecta as mesmas, e resfriar o metal de modo que a contração do metal resfriado nas cavidades superior e inferior provoque a pré-tensão de compressão da cerâmica do perfil de pá.

Description

Fundamentos da invenção
[001] A presente invenção refere-se ao campo geral de fabricação de pás para motores de turbina a gás.
[002] Pás de motores de turbina a gás e, em particular, as pás de turbinas de alta pressão de um turbojato, são submetidas a gás quente proveniente de uma câmara de combustão.
[003] A fim de aprimorar a eficiência do motor, é sabido que se aumenta a temperatura de tal gás de ejeção da câmara de combustão a temperaturas que podem ser consideravelmente mais altas que os pontos de fusão das melhores ligas metálicas a partir das quais as pás são geralmente fabricadas.
[004] Dessa forma, a fim de permitir que as pás de liga metálica suportem temperaturas muito altas, é sabido cobri-las em um revestimento de cerâmica que constitui uma barreira térmica e prover circuitos de resfriamento internos.
[005] No entanto, está se tornando cada vez mais complexo prover tais revestimentos e tais circuitos de resfriamento internos e estes nem sempre permitem que as pás suportem as temperaturas muito altas de gás de ejeção de uma câmara de combustão. Em particular, a tendência é que a temperatura de tal gás de ejeção seja elevada acima das temperaturas atuais do gás de ejeção da câmara de combustão, tornando assim mais complexo prover revestimentos formadores de barreira térmica e circuitos de resfriamento internos.
Objetivo e sumário da invenção
[006] Existe, portanto, uma necessidade de se ter um processo de fabricação de uma pá que a permita suportar temperaturas muito altas sem apresentar as desvantagens supracitadas.
[007] De acordo com a invenção, esse objetivo é alcançado por um processo de fabricação de uma pá com dois componentes para um motor de turbina a gás, o processo compreendendo em sucessão: obter um perfil de pá feito de material cerâmico tendo um furo que passa através do perfil de pá de um lado ao outro na direção de seu comprimento a fim de formar um canal longitudinal que desemboca em uma primeira extremidade longitudinal do perfil de pá em uma cavidade de topo; posicionar e manter um perfil de pá em um molde de modo a formar uma cavidade de fundo que se comunica com o canal do perfil de pá em uma segunda extremidade longitudinal do perfil de pá; lingotar o metal fundido dentro do perfil de pá de modo a encher as cavidades de topo e de fundo e o canal que conecta as mesmas, e resfriar o metal de modo que a contração do metal resfriado nas cavidades de topo e de fundo provoque a pré-tensão de compressão da cerâmica do perfil de pá.
[008] O processo de fabricação da invenção é notável pelo fato de que, durante o resfriamento do metal lingotado nas cavidades do perfil de pá, a contração natural do metal exerce uma força de compressão na cerâmica que constitui o perfil de pá (na direção do comprimento do perfil de pá). A pá obtida por esse processo de fabricação apresenta, portanto, pré-tensão de compressão na cerâmica. Em operação, a força à qual a pá é submetida é força centrífuga (na direção do comprimento do perfil de pá), que origina uma força de tração nos componentes da pá. Com sua pré-tensão de compressão e devido à diferença de expansão entre a cerâmica e o metal que a constitui, a pá pode, portanto, suportar facilmente as forças de tração às quais é submetida. Em particular, a fim de eliminar essa pré-tensão de compressão, é necessário atingir temperaturas nas quais o metal não tem mais qualquer resistência mecânica, e tais temperaturas nunca são atingidas na prática em um motor de turbina a gás.
[009] Adicionalmente, submeter a cerâmica que constitui o perfil de pá da pá obtida pelo processo de fabricação da invenção à compressão possibilita selecionar a cerâmica de uma ampla gama de cerâmicas, em particular de cerâmicas que são menos caras do que as comumente usadas. O peso da pá obtida desse modo também é menor que o peso de pás da técnica anterior. Por fim, tal pá é facilmente consertável, simplesmente por substituição da cerâmica.
[0010] Preferivelmente, o material cerâmico usado para formar o perfil de pá é alumina e o metal usado para lingotamento é uma liga metálica à base de níquel.
[0011] Além disso, preferivelmente, o processo inclui adicionalmente fazer um circuito de resfriamento interno na pá. Sob tais circunstâncias, um circuito de resfriamento interno pode ser feito na pá atuando, antes da etapa de lingotamento de metal fundido, para colocar pelo menos um macho alongado no canal que se estende através do perfil de pá na direção do seu comprimento e, depois da etapa de lingotamento de metal fundido, para extrair o macho a fim de formar uma passagem de ar que passa através da pá de um lado ao outro. O macho para fazer o circuito de resfriamento interno na pá pode ser feito de sílica.
[0012] Tal circuito de resfriamento é fácil de fazer, em particular comparado aos circuitos de resfriamentos internos de pás conhecidos na técnica anterior. Além disso, o circuito de resfriamento apresenta baixo impacto sobre o desempenho do motor.
[0013] A invenção também provê uma pá de motor de turbina a gás obtida pelo processo como definido acima.
[0014] A invenção também provê um motor de turbina a gás que inclui pelo menos uma dessas pás.
Breve descrição dos desenhos
[0015] Outras características e vantagens da presente invenção aparecem a partir da seguinte descrição, dada com referência aos desenhos anexos, que mostram modalidades sem caráter limitativo. Nas figuras: a Figura 1 é uma vista em perspectiva diagramática de uma pá obtida pelo processo de fabricação da invenção; as Figuras 2 a 5 são vistas diagramáticas mostrando várias etapas do processo de fabricação da pá da Figura 1; e as Figuras 6 e 7 são vistas em seção longitudinal de pás que constituem várias modalidades da invenção.
Descrição detalhada da invenção
[0016] A invenção se aplica a fazer qualquer pá para uso em um motor de turbina a gás, e, em particular, a pás para a turbina de alta pressão de um turbojato, tal como a pá 10 mostrada na Figura 1.
[0017] De maneira conhecida, a pá 10 tem um eixo geométrico longitudinal XX e é para fixação a um disco de rotor da turbina de alta pressão do turbojato por engate de uma raiz geralmente em forma de pinheiro 12 em uma fenda.
[0018] A pá 10 se estende ao longo do eixo geométrico longitudinal XX a partir de um pé 14 até uma ponta 16 e tem um bordo de ataque 18 e um bordo de fuga 20. A raiz 12 se conecta ao pé 14 da pá por meio de uma plataforma 22 que define uma parede interna para a passagem de fluxo para que o gás de combustão passe através da turbina de alta pressão.
[0019] Tal pá 10 precisa suportar as temperaturas muito altas do gás proveniente da câmara de combustão do turbojato situado imediatamente a montante da turbina de alta pressão.
[0020] De acordo com a invenção, é provido um processo de fabricação de tal pá que permite que esse objetivo seja alcançado.
[0021] Para este fim, o processo da invenção provê inicialmente fazer um perfil de pá a partir de material cerâmico. O termo "perfil de pá" é usado para significar uma peça que tem o formato final da pá.
[0022] Esse perfil de pá pode ser obtido usando vários processos conhecidos que não são descrito em detalhes neste documento, por exemplo, por um processo que envolve injeção de cerâmica em um molde de formato apropriado, ou por um processo de fabricação que se diz ser "aditivo" (isto é, que usa impressão tridimensional).
[0023] Uma outra técnica conhecida que poderia ser usada (e que é adaptada para a produção em massa de pás) é a técnica de fundição por cera perdida usando um molde de casca e que recorre à preparação por solidificação dirigida. Pode-se fazer referência ao Documento EP 2 092 999, em que tal processo é descrito.
[0024] Quando o processo usado para obter o perfil de pá envolve injeção de cerâmica em um molde de formato apropriado, o perfil de pá é subsequentemente perfurado (por exemplo, com uma ferramenta mecânica) de modo a fazer um furo que passa através do perfil de pá na direção de seu comprimento, isto é, ao longo do eixo longitudinal XX da pá a ser fabricada.
[0025] Esse furo passante é feito de modo a formar uma cavidade de topo 26a em uma extremidade longitudinal de topo do perfil de pá, tal cavidade se abrindo em um canal 28. O canal 28 apresenta um diâmetro d28 que é menor em tamanho do que a cavidade de topo 26a à qual leva.
[0026] Como mostrado na Figura 3, o perfil de pá 24 é posicionado e retido no lugar em um molde 30 de modo a arranjar uma cavidade de fundo 26b que se comunica com o canal 28 do perfil de pá na extremidade longitudinal de fundo do perfil de pá. Da mesma maneira que a cavidade de topo, a cavidade de fundo 26b apresenta uma seção direita que é maior em tamanho que o diâmetro d28 do canal 28.
[0027] Naturalmente, quando o processo usado para obter o perfil de pá envolve outras técnicas de fabricação, em particular, tais como fundição por cera perdida usando um molde de casca, o canal e as cavidades de topo e de fundo do perfil de pá são obtidos por outros meios (tipicamente por machos).
[0028] A etapa seguinte do processo da invenção consiste em lingotar metal fundido no perfil de pá 24 de modo a preencher ambas as cavidades 26a e 26b e o canal 28 que conecta as mesmas.
[0029] Essa operação de lingotamento é tipicamente realizada em um forno de fundição (não mostrado nas figuras) em que o molde 30 é colocado. O metal fundido Mf é despejado no molde 30 através do perfil de pá 24 da cavidade de topo 26a de modo a preencher completamente a cavidade de fundo 26b, o canal 28 e a cavidade de topo 26a. A título de exemplo, o metal selecionado para lingotamento pode ser uma liga metálica à base de níquel, tal como AM1 como é tipicamente usada pelo fabricante Snecma para fazer algumas de suas pás de turbina monocristalinas.
[0030] Uma vez que o lingotamento do metal fundido é concluído, o molde 30 é extraído do forno de fundição e o perfil de pá 24 é resfriado. Esse resfriamento tem a consequência natural da contração do metal dentro das cavidades 26a, 26b e dentro do canal 28 que conecta as mesmas (essa contração é representada pelas setas na Figura 4).
[0031] Dessa forma, e como mostrado na Figura 5, uma pá com dois componentes 10 é obtida com sua cavidade de topo 26a preenchida com metal situada ao lado da ponta 16 da pá e sua cavidade de fundo 26b definindo pelo menos parte da raiz 12 da pá.
[0032] A contração do metal resfriado nas cavidades e no canal que conecta as mesmas faz com que a cerâmica do perfil de pá seja submetida à pré-tensão de compressão (cuja pré-tensão de compressão é representada pelas setas Fc).
[0033] Em operação, a pá é submetida não apenas a altas temperaturas, mas também à força centrífuga (na direção do comprimento do perfil de pá, da raiz à ponta), força centrífuga que origina uma força de tração no perfil de pá. Com sua pré-tensão de compressão, a pá pode, portanto, suportar facilmente as forças de tração às quais é submetida. Em particular, a diferença em expansão entre a cerâmica que constitui o perfil de pá e o metal lingotado nas cavidades e o canal nas mesmas tem o efeito em operação de diminuir a pré-tensão de compressão na cerâmica do perfil de pá.
[0034] A Figura 6 mostra uma modalidade variante de uma pá 10' obtida pelo processo da invenção.
[0035] Nessa variante, é provido um circuito de resfriamento interno na pá. Para esse fim, antes da etapa de lingotamento de metal fundido no perfil de pá, um macho alongado (não mostrado) é arranjado no canal 28 que conecta as cavidades 26a e 26b, cujo macho pode ser feito a partir de sílica adequada para remoção, por exemplo. Esse macho, portanto, passa através do perfil de pá em sua direção de comprimento.
[0036] Após a etapa de lingotamento de metal fundido, o macho é extraído do perfil de pá por remoção de modo a formar uma passagem de ar 30 que passa através da pá 10'. Uma corrente de ar de resfriamento é injetada na passagem de ar 30 a partir da base da raiz 12 da pá e é descarregada na passagem da turbina de alta pressão na ponta 16 da pá.
[0037] A Figura 7 mostra uma outra modalidade variante de uma pá 10" obtida pelo processo da invenção.
[0038] Nessa outra variante, a pá 10" também tem um circuito de resfriamento interno. Quando o processo usado para obter o perfil de pá envolve injeção de cerâmica em um molde de formato apropriado, esse circuito é formado por posicionamento de um macho na forma de uma bucha no canal 28 antes da etapa de lingotamento de metal fundido no perfil de pá ou ao colocar o perfil de pá no molde de lingotamento. Quando o processo usado para obter o perfil de pá envolve fundição por cera perdida com um molde de casca, o circuito de resfriamento é formado antes da etapa de injeção da cera por posicionamento de um macho de formato correspondente ao circuito de resfriamento interno no molde para injeção de cera.
[0039] Após a etapa de lingotamento de metal fundido, o macho conformado em bucha é extraído do perfil de pá de modo a formar uma passagem de ar 30' que é anular na porção central da pá 10". Uma corrente de ar de resfriamento é injetada nessa passagem de ar 30' a partir da base da raiz 12 da pá e é descarregada na passagem da turbina de alta pressão por meio da ponta 16 da pá.

Claims (5)

1. Processo para fabricação de uma pá com dois componentes (10; 10’; 10”) para um motor de turbina a gás, o processo caracterizado pelo fato de que compreende em sucessão: obter um perfil de pá (24) feito de material cerâmico tendo um furo que passa através do perfil de pá de um lado ao outro na direção de seu comprimento a fim de formar um canal longitudinal (28) que desemboca em uma primeira extremidade longitudinal do perfil de pá em uma cavidade de topo (26a); posicionar e reter um perfil de pá em um molde (30) de modo a formar uma cavidade de fundo (26b) que se comunica com o canal (28) do perfil de pá em uma segunda extremidade longitudinal do perfil de pá; lingotar o metal fundido (Mf) dentro do perfil de pá de modo a encher as cavidades de topo e de fundo e o canal que conecta as mesmas, e resfriar o metal de modo que a contração do metal resfriado nas cavidades de topo e de fundo provoque a pré-tensão de compressão da cerâmica do perfil de pá.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material cerâmico usado para formar o perfil de pá é alumina e o metal usado para lingotamento é uma liga metálica à base de níquel.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a fabricação de um circuito de resfriamento interno na pá.
4. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que é feito um circuito de resfriamento interno na pá atuando, antes da etapa de fundição de metal fundido, para colocar pelo menos um macho alongado no canal (28) que se estende através do perfil de pá na direção do seu comprimento e, depois da etapa de lingotamento de metal fundido, para extrair o macho a fim de formar uma passagem de ar (30; 30’) que passa através da pá de um lado ao outro.
5. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o macho para fazer o circuito de resfriamento interno na pá é feito de sílica.
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