BR112017003515B1 - Invólucro de turbina a gás de material compósito, motor aeronáutico com turbina a gás, aeronave, e, método de fabricação de um invólucro de material compósito - Google Patents

Invólucro de turbina a gás de material compósito, motor aeronáutico com turbina a gás, aeronave, e, método de fabricação de um invólucro de material compósito Download PDF

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Abstract

invólucro de turbina a gás de material compósito, motor aeronáutico com turbina a gás, aeronave, e, método de fabricação de um invólucro de material compósito. a invenção se refere a um invólucro (10) de turbina a gás realizado em material compósito a partir de um reforço fibroso densificado por uma matriz. o invólucro (10) compreende pelo menos uma porção de endurecimento (17) que se estende seguindo um raio superior ao raio das porções a montante e a jusante (18, 19) do invólucro adjacentes à dita porção de endurecimento (17) de maneira a formar uma cavidade anular (171) na superfície interna (11) do invólucro (10).

Description

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
[001] A invenção refere-se aos invólucros de turbina a gás e, mais particularmente, mas não exclusivamente, aos invólucros de ventilador de turbina a gás para motores aeronáuticos.
[002] Em um motor aeronáutico com turbina a gás, o invólucro de ventilador realiza várias funções. O mesmo define nomeadamente a corrente de entrada de ar no motor, sustenta eventualmente um material abrasivo em relação às pontas de pás do ventilador e/ou uma estrutura de absorção de ondas sonoras para o tratamento acústico na entrada do motor e incorpora ou sustenta um escudo de retenção.
[003] Anteriormente realizados em material metálico, os invólucros, como o invólucro de ventilador, são atualmente realizados em material compósito, isto é, a partir de uma pré-forma fibrosa densificada por uma matriz orgânica, o que permite realizar peças que têm uma massa global menos elevada que essas mesmas peças quando são realizadas em material metálico, ao mesmo tempo que apresenta uma resistência mecânica pelo menos equivalente ou, de outro modo, superior. A fabricação de um invólucro de ventilador em material compósito com matriz orgânica é nomeadamente descrita no documento n° US 8 322 971.
[004] Se a utilização de invólucros de material compósito permite reduzir a massa global do motor, essa redução de massa conduz a uma diminuição das frequências próprias do invólucro que pode se traduzir por um cruzamento com os rastos das pás do ventilador, em que o invólucro entra, então, em ressonância quando umas de suas frequências próprias cruza com um harmônico de excitação produzido pelo rasto das pás. Nesse caso, um endurecimento do invólucro de material compósito é necessário.
OBJETO E SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[005] A invenção tem como objetivo propor um invólucro de turbina a gás de material compósito que apresenta uma rigidez elevada, e sem aumentar de maneira significativa o volume e a massa do invólucro.
[006] Esse objetivo é atingido devido a um invólucro de turbina a gás de material compósito que compreende um reforço densificado por uma matriz, em que o dito invólucro apresenta uma forma de revolução, distinguido pelo fato de que compreende pelo menos uma porção de endurecimento que se estende seguindo um raio superior ao raio das porções a montante e a jusante do invólucro adjacentes à dita porção de endurecimento de maneira a formar uma cavidade anular na superfície interna do invólucro.
[007] Ao formar pelo menos um deslocamento no perfil do invólucro que não segue o perfil de corrente aerodinâmica habitualmente definido em toda a superfície interna do invólucro, o invólucro de acordo com a invenção apresenta localmente uma geometria particular que permite seu autoendurecimento. O invólucro de acordo com a invenção apresenta, consequentemente, uma rigidez elevada, e sem a adição de elementos suplementares, tais como endurecedores dedicados aplicados ao invólucro de material compósito, que tornam complexa a fabricação do invólucro e aumentam sua massa global.
[008] De acordo com um aspecto do invólucro da invenção, cada porção de endurecimento apresenta, em corte axial, uma forma de tipo ômega.
[009] Vantajosamente, a cavidade anular formada por cada porção de endurecimento é preenchida com um material ou uma estrutura de enchimento de maneira a garantir uma continuidade na superfície interna do invólucro entre as porções a montante e a jusante do invólucro adjacentes a cada porção de endurecimento.
[0010] Ainda vantajosamente, a cavidade anular formada por cada porção de endurecimento é preenchida com um material ou uma estrutura de atenuação acústica.
[0011] De acordo com outro aspecto do invólucro da invenção, o mesmo inclui uma zona de retenção que apresenta uma espessura maior que o restante do invólucro, em que a dita ou as ditas porções de endurecimento estão situadas fora da zona de retenção.
[0012] A invenção tem igualmente como objeto um motor aeronáutico com turbina a gás que tem um invólucro de retenção de ventilador de acordo com a invenção, assim como uma aeronave que compreende um ou mais desses motores aeronáuticos.
[0013] A invenção tem ainda como objeto um método de fabricação de um invólucro de material compósito para uma turbina a gás, que compreende a tecelagem em uma única peça por tecelagem tridimensional ou multicamadas de uma textura fibrosa em forma de faixa, a conformação da dita textura por enrolamento em uma ferramenta de sustentação e a densificação do reforço fibroso por uma matriz, distinguido pelo fato de que, no momento da conformação, a textura fibrosa é conformada de maneira a obter uma pré-forma fibrosa que compreende pelo menos uma parte de deslocamento que se estende seguindo um raio superior ao raio das partes a montante e a jusante da pré-forma adjacentes à dita parte de deslocamento, em que a dita parte de deslocamento forma uma cavidade anular na superfície interna do invólucro após densificação.
[0014] De acordo com um aspecto do método da invenção, cada porção de endurecimento apresenta, em corte axial, uma forma de tipo ômega.
[0015] Vantajosamente, a cavidade anular formada por cada porção de endurecimento é preenchida com um material ou uma estrutura de enchimento de maneira a garantir uma continuidade na superfície interna do invólucro entre as porções a montante e a jusante do invólucro adjacentes a cada porção de endurecimento.
[0016] Ainda vantajosamente, a cavidade anular formada por cada porção de endurecimento é preenchida com um material ou uma estrutura de atenuação acústica.
[0017] De acordo com outro aspecto do método da invenção, a pré- forma fibrosa inclui uma zona de espessura maior que o restante da pré-forma fibrosa que é destinada a formar uma zona de retenção no invólucro, em que a dita ou as ditas partes de deslocamento estão situadas fora da parte de espessura maior.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0018] Outras características e vantagens da invenção surgirão a partir da seguinte descrição de modos particulares de realização da invenção, dados a título de exemplos não limitantes, em referência aos desenhos anexos, nos quais: - a Figura 1 é uma vista em perspectiva de um motor aeronáutico conforme um modo de realização da invenção, - a Figura 2 é uma meia-vista, vista em corte axial do invólucro de ventilador do motor da Figura 1, - a Figura 3 é uma meia-vista em corte axial de um invólucro de ventilador conforme outro modo de realização da invenção, - a Figura 4 é uma vista em perspectiva que mostra a conformação de uma textura fibrosa destinada a formar o reforço do invólucro de ventilador da Figura 2, - a Figura 5 é uma meia-vista em corte axial de uma pré-forma do invólucro da Figura 2 obtida por enrolamento da textura fibrosa, como mostrado na Figura 4, - a Figura 6 é uma vista em corte que mostra o posicionamento de segmentos de injeção sobre a pré-forma do invólucro da Figura 2 obtida por enrolamento da textura fibrosa, como mostrado na Figura 4.
DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODOS DE REALIZAÇÃO
[0019] A invenção se aplica, de uma maneira geral, a qualquer invólucro de material compósito com matriz orgânica de turbina a gás.
[0020] A invenção será descrita a seguir no âmbito de sua aplicação a um invólucro de ventilador de motor aeronáutico com turbina a gás.
[0021] Tal motor, como mostrado muito esquematicamente pela Figura 1, compreende, de montante para jusante no sentido do escoamento de fluxo gasoso, um ventilador 1 disposto na entrada do motor, um compressor 2, uma câmara de combustão 3, uma turbina de alta pressão 4 e uma turbina de baixa pressão 5.
[0022] O motor é alojado no interior de um invólucro que compreende várias partes que correspondem a diferentes elementos do motor. Assim, o ventilador 1 é circundado por um invólucro de ventilador 10 que apresenta uma forma de revolução.
[0023] A Figura 2 mostra o perfil (em corte axial) do invólucro de ventilador 10 que é aqui realizado em material compósito com matriz orgânica, isto é, a partir de um reforço de fibras, por exemplo, de carbono, vidro, aramida ou cerâmica, densificado por uma matriz de polímero, por exemplo, epóxi, bismaleimida ou poli-imida. A fabricação de um invólucro de material compósito é nomeadamente descrita no documento n° US 8 322 971. A superfície interna 11 do invólucro define a corrente de entrada de ar do motor.
[0024] O invólucro 10 pode ser dotado de flanges externos 14, 15 em suas extremidades a montante e a jusante a fim de permitir sua montagem e sua ligação com outros elementos. Entre suas extremidades a montante e a jusante, o invólucro 10 apresenta uma espessura variável, em que uma parte 16 do invólucro tem uma espessura superior às partes de extremidade que se conectam progressivamente àquela. A parte 16 se estende por ambos os lados da localização do ventilador, para montante e jusante, a fim de formar uma zona de retenção com capacidade para reter detritos, partículas ou objetos ingressos na entrada do motor, ou provenientes do dano de pás do ventilador, e projetados radialmente por rotação do ventilador, para evitar que esses atravessem o invólucro e danifiquem outras partes da aeronave.
[0025] Conforme a invenção, o invólucro 10 compreende adicionalmente uma porção de endurecimento 17 que se estende seguindo um raio superior ao raio das porções a montante 18 e a jusante 19 do invólucro que são adjacentes à porção de endurecimento 17 de maneira a formar uma cavidade anular 171 na superfície interna 11 do invólucro 10. Mais precisamente, a porção de endurecimento 17 é formada por uma plataforma anular 173 desviada radialmente para o exterior do invólucro em relação à superfície interna 11 do mesmo. A plataforma anular 173 é ligada às porções a montante 18 e a jusante 19 que definem uma parte da superfície interna 11 do invólucro, respectivamente, por subidas anulares 172 e 174. Os ângulos β172 e β174 formados, respectivamente, entre as subidas 172 e 174 e as porções a montante 18 e a jusante 19 são, de preferência, superiores a 90° e inferiores a 180°. Esses ângulos são nomeadamente definidos em função da rigidez que se deseja conferir ao invólucro e das possibilidades de fabricação.
[0026] A altura H173 da plataforma, correspondente ao desvio radial da mesma em relação à superfície interna 11 do invólucro, depende igualmente da rigidez que se deseja proporcionar ao invólucro, ao mesmo tempo levando em conta as limitações de volume do invólucro para a integração no ambiente do motor.
[0027] No modo de realização descrito aqui, a plataforma 173 e as subidas 172 e 174 apresentam perfis (em corte axial) retilíneos. No entanto, seguindo as variantes de realização, esses elementos podem igualmente apresentar perfis ligeiramente curvos ou ondulados.
[0028] No modo realização descrito aqui, a porção de endurecimento 17 apresenta uma forma de tipo ômega que é uma forma bem adaptada para o endurecimento.
[0029] A Figura 3 ilustra um invólucro 20 conforme a invenção que difere do invólucro 10 já descrito pelo fato de que a cavidade anular 271, formada pela plataforma e pelas subidas anulares 273, 272 e 274 que definem uma porção de endurecimento 27, é preenchida por um material ou estrutura de enchimento que corresponde aqui a uma estrutura alveolar 275 que permite realizar uma atenuação acústica.
[0030] O preenchimento da cavidade anular 271 formada pela porção de endurecimento 27 permite garantir uma continuidade da superfície interna 21 entre as porções a montante 28 e a jusante 29 e, consequentemente, não modificar a corrente definida pela dita superfície interna do invólucro. O preenchimento pode ser realizado com qualquer tipo de material ou de estrutura adaptados e, em particular, um material (por exemplo, espuma) ou uma estrutura (alveolar) que permite realizar um tratamento de atenuação acústica. Além da rigidez visada, a altura da plataforma da porção de endurecimento pode ser igualmente definida em função da altura ideal para um tratamento acústico.
[0031] O invólucro de acordo com a invenção pode incluir várias porções de endurecimento similares às porções de endurecimento 17 e 27 descritas anteriormente. No entanto, a ou as porções de endurecimento estão, de preferência, situadas fora da zona de retenção formada pela parte de sobre- espessura correspondente às partes 16 e 26, respectivamente, dos invólucros 10 e 20 já descritos.
[0032] Descreve-se agora um método de fabricação do invólucro 10 de material compósito com reforço fibroso densificado por uma matriz.
[0033] A realização do invólucro começa pela formação de uma textura fibrosa na forma de uma faixa. A Figura 4 mostra muito esquematicamente uma estrutura fibrosa 100 tecida na forma de uma faixa destinada a formar uma pré-forma fibrosa de um invólucro de motor de avião.
[0034] A estrutura fibrosa 100 é obtida por tecelagem tridimensional ou multicamadas realizada de forma conhecida por meio de um tear de tipo jacquard no qual é disposto um feixe de fios de urdidura 101 ou cordões em uma pluralidade de camadas, em que os fios de urdidura são ligados pelos fios de trama 102.
[0035] No exemplo ilustrado, a tecelagem tridimensional é uma tecelagem com entrelaçamento “interloque” (interlock). Por tecelagem “interloque”, entende-se aqui um entrelaçamento de tecelagem no qual cada camada de fios de trama liga várias camadas de fios de urdidura com todos os fios de uma mesma coluna de trama que tem o mesmo movimento no plano do entrelaçamento.
[0036] Outros tipos de tecelagem multicamadas conhecidos poderão ser utilizados, como nomeadamente aqueles descritos no documento n° WO 2006/136755.
[0037] A estrutura fibrosa pode ser nomeadamente tecida a partir de fios de fibras de carbono, de cerâmica, tal como o carboneto de silício, de vidro, ou ainda de aramida.
[0038] Como ilustrado na Figura 4, o reforço fibroso é formado por enrolamento em um mandril 200 da textura fibrosa 100 realizada por tecelagem tridimensional com espessura progressiva, em que o mandril tem um perfil correspondente àquele do invólucro a ser realizado. Vantajosamente, o reforço fibroso constitui uma pré-forma fibrosa tubular completa do invólucro 10 que forma uma única peça com um endurecedor correspondente à porção de endurecimento 17.
[0039] Para esse fim, o mandril 200 apresenta uma superfície externa 201 cujo perfil corresponde à superfície interna do invólucro a ser realizado. Por seu enrolamento no mandril 200, a textura fibrosa 100 se ajusta ao perfil do mesmo. O mandril 200 inclui em sua superfície externa 201 um ressalto anular 210 cuja forma e as dimensões correspondem àquela da porção de endurecimento 17 a ser formada. O mandril 200 inclui igualmente duas abas 220 e 230 para formar as partes de pré-forma fibrosa correspondentes aos flanges 14 e 15 do invólucro 10.
[0040] A Figura 5 mostra uma vista em corte da pré-forma fibrosa 300 obtida após enrolamento da textura fibrosa 100 em várias camadas no mandril 200. O número de camadas ou voltas é função da espessura desejada e da espessura da textura fibrosa. É, de preferência, pelo menos igual a 2. No exemplo descrito aqui, a pré-forma 300 compreende 4 camadas de textura fibrosa 100.
[0041] Obtém-se uma pré-forma fibrosa 300 com uma parte de deslocamento 310 que se estende seguindo um raio superior ao raio das partes a montante e a jusante 311 e 312 da pré-forma situadas de cada lado da parte de deslocamento. A parte de deslocamento 310 corresponde à porção de endurecimento 17 do invólucro 10. A pré-forma fibrosa compreende igualmente uma parte 320 de espessura superior, correspondente à parte 16 (zona de retenção) do invólucro, e partes de extremidade 330, 340 correspondentes aos flanges 14, 15 do invólucro.
[0042] Procede-se em seguida à densificação da pré-forma fibrosa 300 por uma matriz.
[0043] A densificação da pré-forma fibrosa consiste em preencher a porosidade da pré-forma, em todo ou parte do volume da mesma, com o material constitutivo da matriz.
[0044] A matriz pode ser obtida de forma conhecida em si seguindo o método por via líquida.
[0045] O método por via líquida consiste em impregnar a pré-forma por uma composição líquida que contém um precursor orgânico do material da matriz. O precursor orgânico se apresenta habitualmente na forma de um polímero, tal como uma resina, eventualmente diluída em um solvente. A pré- forma fibrosa é colocada em um molde que pode ser fechado de maneira vedada com um alojamento que tem a forma da peça final moldada. Como ilustrado na Figura 6, a pré-forma fibrosa 300 é aqui colocada entre uma pluralidade de segmentos 240 que formam o contramolde e o mandril 200 que forma o suporte, em que esses elementos apresentam, respectivamente, a forma externa e a forma interna do invólucro a ser realizado. Em seguida, injeta-se o precursor líquido de matriz, por exemplo, uma resina, em todo o alojamento para impregnar toda a parte fibrosa da pré-forma.
[0046] A transformação do precursor em matriz orgânica, a saber, sua polimerização, é realizada por tratamento térmico, geralmente por aquecimento do molde, após eliminação do solvente eventual e reticulação do polímero, em que a pré-forma é ainda mantida no molde que tem uma forma correspondente àquela da peça a ser realizada. A matriz orgânica pode ser nomeadamente obtida a partir de resinas epóxi, tal como, por exemplo, a resina epóxi de alto desempenho vendida, ou de precursores líquidos de matrizes de carbono ou cerâmica.
[0047] No caso da formação de uma matriz de carbono ou cerâmica, o tratamento térmico consiste em pirolisar o precursor orgânico para transformar a matriz orgânica em uma matriz de carbono ou cerâmica de acordo com o precursor utilizado e as condições de pirólise. A título de exemplo, os precursores líquidos de carbono podem ser resinas com teor de coque relativamente elevado, tais como resinas fenólicas, enquanto os precursores líquidos de cerâmica, nomeadamente de SiC, podem ser resinas de tipo policarbossilano (PCS) ou polititanocarbossilano (PTCS) ou polissilazano (PSZ). Vários ciclos consecutivos, desde a impregnação até o tratamento térmico, podem ser realizados para alcançar o grau de densificação desejado.
[0048] De acordo com um aspecto da invenção, a densificação da pré- forma fibrosa pode ser realizada pelo método bem conhecido de moldagem por transferência, dito RTM (“Resin Transfert Moulding”). Conforme o método RTM, coloca-se a pré-forma fibrosa em um molde que apresenta a forma do invólucro a ser realizado. Uma resina termorrígida é injetada no espaço interno delimitado entre a peça de material rígido e o molde e que compreende a pré-forma fibrosa. Um gradiente de pressão é geralmente estabelecido nesse espaço interno entre o local em que é injetada a resina e os orifícios de escape dessa última a fim de controlar e de otimizar a impregnação da pré-forma pela resina.
[0049] A resina utilizada pode ser, por exemplo, uma resina epóxi. As resinas adaptadas para os métodos RTM são bem conhecidas. Essas apresentam, de preferência, uma viscosidade baixa para facilitar sua injeção nas fibras. A escolha da classe de temperatura e/ou a natureza química da resina é determinada em função dos esforços termomecânicos aos quais deve ser submetida a peça. Uma vez que a resina foi injetada em todo o reforço, procede-se a sua polimerização por tratamento térmico conforme o método RTM.
[0050] Após a injeção e a polimerização, a peça é desmoldada. Ao final, a peça é recortada para remover o excesso de resina e os chanfros são usinados para obter o invólucro 10 ilustrado nas Figuras 1 e 2.

Claims (11)

1. Invólucro (10) de turbina a gás de material compósito, que compreende um reforço densificado por uma matriz, em que o invólucro apresenta uma forma de revolução, e compreende pelo menos uma porção de endurecimento (17) que se estende seguindo um raio superior ao raio das porções a montante e a jusante (18, 19) do invólucro adjacentes à porção de endurecimento (17) de maneira a formar uma cavidade anular (171) na superfície interna (11) do invólucro (10), caracterizadopelo fato de que inclui uma zona de retenção (16) que apresenta uma espessura maior que o restante do invólucro (10), em que a ou as porções de endurecimento (17) estão situadas fora da zona de retenção (16).
2. Invólucro de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que cada porção de endurecimento (17) apresenta, em corte axial, uma forma de tipo ômega.
3. Invólucro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que a cavidade anular (271) formada por cada porção de endurecimento (27) é preenchida com um material ou uma estrutura de enchimento (275) de maneira a garantir uma continuidade na superfície interna (21) do invólucro (20) entre as porções a montante e a jusante (28, 29) do invólucro (20) adjacentes a cada porção de endurecimento (27).
4. Invólucro de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que a cavidade anular (271) formada por cada porção de endurecimento (27) é preenchida com um material ou uma estrutura de atenuação acústica (275).
5. Motor aeronáutico com turbina a gás, caracterizadopelo fato de que tem um invólucro (10) de retenção de ventilador como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4.
6. Aeronave, caracterizadapelo fato de que compreende um ou mais motores como definido na reivindicação 5.
7. Método de fabricação de um invólucro (10) de material compósito para uma turbina a gás que compreende a tecelagem em uma única peça por tecelagem tridimensional ou multicamadas de uma textura fibrosa (100) em forma de faixa, a conformação da textura por enrolamento em uma ferramenta de sustentação (200) e a densificação do reforço fibroso (300) por uma matriz, caracterizado pelo fato de que, no momento da conformação, a textura fibrosa (100) é conformada de maneira a obter uma pré-forma fibrosa (300) que compreende pelo menos uma parte de deslocamento (310) que se estende seguindo um raio superior ao raio das partes a montante e a jusante (311, 312) da pré-forma adjacentes à parte de deslocamento, em que a parte de deslocamento forma uma cavidade anular (171) na superfície interna (11) do invólucro (10) após densificação.
8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que cada porção de endurecimento (17) apresenta, em corte axial, uma forma de tipo ômega.
9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que a cavidade anular formada por cada porção de endurecimento (17) é preenchida com um material ou uma estrutura de enchimento (275) de maneira a garantir uma continuidade na superfície interna (21) do invólucro (20) entre as porções a montante e a jusante (28, 29) do invólucro (20) adjacentes a cada porção de endurecimento (27).
10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que a cavidade anular (271) formada por cada porção de endurecimento (27) é preenchida com um material ou uma estrutura de atenuação acústica (275).
11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que a pré-forma fibrosa (300) inclui uma zona de espessura maior (320) que o restante da pré-forma fibrosa destinada a formar uma zona de retenção (16) no invólucro (10), em que a ou as partes de deslocamento (310) estão situadas fora da parte de espessura maior (320).
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