BR112017003806B1 - Palheta guia de material compósito, e, método para fabricar uma palheta guia - Google Patents
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Abstract
a invenção se refere a uma palheta guia (10) feita a partir de material compósito para um motor de turbina a gás, compreendendo um reforço fibroso densificado por uma matriz, o reforço fibroso sendo formado como um único componente por meio de tecelagem tridimensional com uma palhetadura (12) e pelo menos dois flanges acessórios (14a, 14b, 24a, 24b, 26a) que se estendem a partir de uma extremidade radial (16, 18) da palheta em direção a faces de lados opostos (12a, 12b) da palhetadura, os ditos flanges acessórios sendo axialmente escalonados um em relação ao outro. a invenção também se refere a um método para produzir tal palheta.
Description
[001] A presente invenção se refere ao campo geral de palhetas guia para um motor de turbina a gás.
[002] Exemplos de pedidos da invenção incluem, em particular, palhetas guia de saída (OGV), palhetas guia de entrada (IGV), e palhetas de estator variáveis (VSV) para um motor de turbina de aviação.
[003] Geralmente, cada palheta guia de um motor de turbina a gás apresenta um aerofólio que está preso em cada extremidade radial a um invólucro por meio de flanges fixadores. Tais palhetas guia formam fileiras de palhetas de estator que servem para guiar a corrente de gás que fui através do motor para transmitir uma velocidade apropriada e ângulo para a corrente.
[004] Palhetas guia são geralmente feitas de metal, mas tem se tornado uma prática comum fazê-las com material compósito, em particular a fim de reduzir seu peso. Em particular, é conhecido por fazer palhetas guia a partir de reforço de fibra obtido por tecelagem tridimensional, e no qual o aerofólio e os flanges fixadores formam uma única peça. Para este propósito, os flanges fixadores são geralmente formados por não interligação na pré- forma principal (constituindo a pré-forma de aerofólio) de modo a formar duas porções distintas, uma das porções constituindo uma pré-forma para um flange fixador na face do lado de pressão (isto é, um flange que é dobrado em direção à face do lado de pressão do aerofólio), e a outra porção constituindo de uma pré-forma para um flange fixador da face do lado de sucção (isto é, um flange dobrado em direção à face do lado de sucção do aerofólio).
[005] Tal método de fabricação apresenta alguns inconvenientes. Em particular, este método leva a grandes restrições de tecelagem desde que seja necessário ter alguma quantidade mínima de camadas de fitas a fim de tornar possível criar as porções não interligadas. Além disso, é difícil gerenciar as variações na espessura da pré-forma de fibra. Especificamente, tendo duas porções não interligadas implica que apenas metade de muitas camadas de fitas estão disponíveis nestas zonas não interligadas para criar regressividade de espessura, que leva a maiores movimentos nas saídas das camadas ou se faz necessário ter recurso para artifícios de tecelagem (tal como duplicar fitas) a fim de suavizar estas variações de espessura. Finalmente, este método de fabricação requer o uso de enchedores tecidos especialmente para serem recebidos na abertura da não interligação de modo a preencher o vazio e reduzir tensões na extremidade da não interligação.
[006] Um objetivo principal da presente invenção é então prover uma palheta guia que não apresente os inconvenientes acima descritos.
[007] De acordo com a invenção, este objetivo é alcançado por uma palheta guia de material compósito para um motor de turbina a gás, o material compósito compreendendo reforço de fibra densificado por uma matriz, o reforço de fibra sendo formado como uma única peça pela tecelagem tridimensional e compreendendo um aerofólio e pelo menos dois flanges fixadores que se estendem a partir de uma extremidade radial da palheta em direção oposta às faces dos lados do aerofólio, ditos flanges fixadores sendo axialmente desviados um do outro.
[008] A palheta guia da invenção é notável de modo que apresente flanges fixadores que são axialmente desviados um do outro. Com tal arquitetura, não há necessidade de fazer provisão para não interligação na pré- forma de fibra a fim de obter os flanges fixadores. É assim possível evitar os inconvenientes inerentes aos métodos de fabricação que têm recurso para o uso de não ligação para formar flanges fixadores. Além disso, a fabricação de uma tal palheta guia requer uma quantidade menor de camadas de fitas comparada com os métodos de fabricação acima descritos, que reapresenta uma economia considerável em termos de peso e custos de fabricação. Finalmente, este método de fabricação não requer quaisquer enchedores para serem tecidos.
[009] A palheta guia pode incluir dois pares de flanges fixadores que se estendem a partir de uma extremidade radialmente externa do aerofólio e axialmente desviados um do outro.
[0010] A palheta guia pode incluir igualmente dois flanges fixadores estendem a partir de uma extremidade radialmente interna da palheta ao lado de uma borda dianteira do aerofólio. Sob tais circunstâncias, a palheta guia pode também incluir adicionalmente dois outros flanges fixadores que se estendem a partir da extremidade radialmente interna da palheta ao lado da borda posterior do aerofólio e axialmente nivelando uma com a outra.
[0011] A palheta guia pode também incluir, em cada extremidade radial, um flange fixador situado ao lado de uma borda dianteira do aerofólio e se estendendo em direção a uma face do lado do aerofólio, e um flange fixador situado ao lado de uma borda posterior do aerofólio e se estendendo em direção a uma face do lado oposta do aerofólio.
[0012] A invenção também provê um método de fabricação de uma palheta guia conforme definida acima, o método compreendendo em sequência: usar tecelagem tridimensional para preparar uma pré-forma de fibra em uma única peça que constitui a pré-forma do aerofólio e dos flanges fixadores; cortar a pré-forma de fibra para dar à mesma descrição das porções que constituem o aerofólio e flanges fixadores; conformar a pré-forma de corte dobrando as porções que constituem flanges fixadores; conformar a pré- forma em um molde; e densificar a pré-forma com uma resina.
[0013] A invenção também provê um motor de turbina que inclui pelo menos uma palheta guia como definida acima.
[0014] Outras características e vantagens da presente invenção aparecem a partir da seguinte descrição feita com referência ao desenho em anexo, que mostra modalidades tendo nenhum caráter limitante. Nas figuras: Figuras 1 e 2 são vistas diagramáticas de uma palheta guia de acordo com a invenção; Figura 3 é uma vista plana de uma pré-forma de fibra usada para fabricar a palheta guia das Figuras 1 e 2; e Figura 4 é uma vista diagramática de uma palheta guia em uma modalidade variante da invenção.
[0015] A invenção aplica para fazer palhetas guia para um motor de turbina a gás.
[0016] Exemplos não limitantes de tal palhetas guia incluem em particular palhetas guia de saída (OGV), palhetas guia de entrada (IGV), e palhetas de estator variáveis (VSV), etc.
[0017] Figuras 1 e 2 são vistas diagramáticas em perspectiva de um exemplo de uma tal palheta guia 10 de acordo com a invenção.
[0018] De acordo com a invenção, esta palheta guia 10 é feita de material compósito com reforço de fibra densificado por uma matriz, a reforço de fibra sendo formada como uma única peça de tecelagem tridimensional que compreende um aerofólio 12 e pelo menos dois flanges fixadores (ou abas) 14a e 14b para permitir que a palheta guia seja fixada a um invólucro (um invólucro interno e/ou externo).
[0019] O aerofólio 12 se estende primeiramente radialmente entre uma extremidade radialmente externa 16 e uma extremidade radialmente interna 18, e em segundo lugar axialmente entre uma borda dianteira 20 e uma borda posterior 22.
[0020] Mais precisamente, os flanges fixadores 14a, 14b se estendem a partir de uma das extremidades radiais da palheta 16, 18 em direção as faces do lado opostas do aerofólio (a saber a face do lado de pressão 12a e a face do lado de sucção 12b do aerofólio 12).
[0021] Assim, no exemplo das Figuras 1 e 2, o flange fixador 12a (referido como o flange do lado de pressão) se estende no lado de pressão 12a do aerofólio, enquanto o flange fixador 14b (referido como o flange do lado de sucção) se estende no lado de sucção 12b do aerofólio.
[0022] Além disso, estes flanges fixadores 14a e 14b são axialmente desviados um do outro, isto é, eles não são nivelados um com o outro na direção axial (a direção na qual o aerofólio se estende entre sua borda dianteira 20 e sua borda posterior 22).
[0023] Além disso, na modalidade das Figuras 1 e 2, a palheta guia 10 tem dois pares de flanges fixadores 14a, 14b e 24a, 24b na extremidade radialmente externa 16 do aerofólio, nos quais os pares são axialmente desviados um do outro e, em cada um deles, os flanges fixadores são também axialmente desviados um do outro. Estes flanges fixadores 14a, 14b e 24a, 24b são para permitir que a palheta guia seja fixada a um invólucro externo.
[0024] Deste modo, na sua extremidade radialmente interna 18, a palheta guia 10 também tem dois outros flanges fixadores 26a e 26b que se estendem em direção às faces do lado de pressão e lado de sucção 12a e 12b do aerofólio. Estes flanges fixadores 26a e 26b são situados ao lado da borda dianteira 20 do aerofólio e são para permitir que a palheta guia seja presa a um invólucro interno.
[0025] Na modalidade mostrada nas Figuras 1 e 2, nesta extremidade radial interna 18, a palheta guia 10 também tem dois flanges fixadores axiais 28a e 28b que são situados ao lado da borda posterior 22 do aerofólio e que são axialmente nivelados um com o outro (ao contrário dos flanges fixadores 26a e 26b). Estes flanges fixadores axiais 28a e 28b também servem para fixar a palheta guia ao invólucro interno.
[0026] Aqui segue uma descrição de um método de fabricação exemplar tal como uma palheta guia.
[0027] Uma primeira etapa do método de fabricação consiste em usar uma tecelagem tridimensional (3D) para preparar uma peça única de pré- forma de fibra que constitui a pré-forma para o aerofólio e para os flanges fixadores que são associados com os mesmos (isto é, neste exemplo, os flanges fixadores 14a, 14b, 24a, 24b, 26a, 26b, e 28a, 28b). A descrição de uma tal pré-forma de fibra é mostrada em linhas tracejadas na Figura 3.
[0028] O termo "tecelagem 3D" deve ser entendido como significando que os fios de urdidura seguem trajetos sinuosos a fim de interligar fios de trama que pertencem a camadas diferentes de fios de trama, isto sendo entendido que tecelagem 3D, em particular usando uma tecelagem de intertrava, pode incluir tecelagem 2D na superfície. Várias tecelagens 3D podem ser usadas, tal como uma intertrava, multi-cetim, ou tecelagens multi- planas, por exemplo, como descrita em particular no Documento WO 2006/136755.
[0029] A etapa seguinte do método consiste em cortar a pré-forma de fibra para dar a ela a descrição das porções que constituem o aerofólio e os flanges fixadores. Por meio de exemplo, este corte é realizado usando um jato de água e o resultado que é obtido é representado pela pré-forma de corte 100 desenhada com uma linha contínua na Figura 3.
[0030] A pré-forma de corte 100 tem então uma porção 102 que constitui a pré-forma de aerofólio, quatro porções 104 que constituem pré- formas de flange fixador em uma extremidade radialmente externa 102a da porção 102 que constitui a pré-forma de aerofólio, e, na extremidade radialmente interna 102b da porção 102, duas porções 106 que constituem pré-formas de flange fixador, e uma porção 108 que constitui uma pré-forma para flanges fixadores axiais.
[0031] A pré-forma de corte é então conformada, em particular dobrando as porções 104 e 106 constituindo flanges fixadores. Estas porções são então dobradas em alternação em direção ao lado de pressão e em direção ao lado da porção 102 que constituem a pré-forma de aerofólio. A porção 108 que constitui a pré-forma para os flanges fixadores axiais, é inicialmente o sujeito de não interligação durante tecelagem da pré-forma de fibra de modo a permitir que seja conformada pelo dobramento de duas porções não interligadas respectivamente ao lado de pressão e ao lado de sucção da porção 102 que constitui a pré-forma de aerofólio.
[0032] A pré-forma de fibra que é obtida desta maneira é então secada e colocada no lugar de um molde por injeção. A matriz para formar o material compósito palheta guia como mostrado nas Figuras 1 e 2 é depositada na pré- forma de fibra enquanto se mantém a pré-forma em um molde, pelo menos até que a pré-forma tenha ficado rígida (ou consolidada).
[0033] A natureza da matriz é selecionada como uma função do pedido pretendido, por exemplo, uma matriz orgânica obtida em particular a partir de uma resina que é um precursor de um material de polímero tal como um epóxi, bismaleimida, ou resina de poli-imida, ou que é um precursor de uma matriz de carbono ou de uma matriz de cerâmica. Para uma matriz orgânica, a pré-forma de fibra pode estar impregnada com uma composição que contém a resina precursora de matriz seja antes de ser conformada na formação por ferramenta, ou após ser conformada, no qual impregnação de caso é realizada por meio de exemplo por infusão ou por um processo tipo moldagem de transferência de resina (RTM). Para um carbono ou matriz de cerâmica, densificação pode ser realizada por infiltração por vapor químico (CVI) ou por impregnação com uma composição líquida contendo uma resina precursora de carbono ou cerâmica e realizando tratamento por calor para pirolizar ou ceramizar o precursor, no qual os métodos são os mesmos bem conhecidos.
[0034] Figura 4 mostra uma modalidade variante de uma palheta guia 10' da invenção.
[0035] Esta palheta guia 10' difere da palheta acima descrita em que, nesta extremidade radialmente externa 16, tem apenas dois flanges fixadores 14'a e 14'b que são axialmente desviados um do outro, a saber: um flange fixador 14'a situado ao lado da borda dianteira 20 do aerofólio e se estende em direção à face do lado de pressão 12a do aerofólio, e um flange fixador 14'b que está situado ao lado da borda posterior 22 do aerofólio e que se estende em direção à face do lado de sucção 12b do aerofólio.
[0036] Nesta extremidade radialmente interna 18, a palheta guia 10' também tem dois flanges fixadores 26'a e 26'b que são axialmente desviados um do outro, a saber: um flange fixador 26'a que está situado ao lado da borda dianteira 20 do aerofólio e que se estende em direção à face do lado de pressão 12a do aerofólio, e um flange fixador 26'b que está situado ao lado da borda posterior 22 do aerofólio e que se estende em direção à face do lado de sucção 12b do aerofólio.
[0037] Finalmente, deve ser observado que esta palheta guia 10' não tem quaisquer flanges fixadores que estão em alinhamento axial um com o outro.
Claims (6)
1. Palheta guia de material compósito (10; 10') para um motor de turbina a gás, o material compósito compreendendo reforço de fibra densificado por uma matriz, o reforço de fibra sendo formado como uma peça única por tecelagem tridimensional e compreendendo um aerofólio (12) e pelo menos dois flanges fixadores (14a, 14b, 24a, 24b, 26a, 26b) que se estendem a partir de uma extremidade radial (16, 18) da palheta em direção a faces de lados opostos (12a, 12b) do aerofólio, os ditos flanges fixadores sendo axialmente deslocados um em relação ao outro, caracterizada pelo fato de que dita palheta de guia inclui adicionalmente dois flanges fixadores (26a, 26b) que se estende a partir de uma extremidade radialmente interna (18) da palheta ao lado de uma borda dianteira (20) do aerofólio e em direção oposta às faces do lado do aerofólio, ditos flanges fixadores sendo axialmente desviados um do outro.
2. Palheta de guia de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que dito pelo menos dois flanges fixadores que se estendem da extremidade radial da palheta are axialmente adjacentes um ao outro.
3. Palheta guia de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que inclui dois pares de flanges fixadores (14a, 14b, 24a, 24b) que se estendem a partir de uma extremidade radialmente externa (16) do aerofólio e axialmente deslocados um em relação ao outro.
4. Palheta guia de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que inclui adicionalmente outros dois flanges fixadores (28a, 28b) que se estendem a partir da extremidade radialmente interna da palheta ao lado de uma borda posterior (22) e nivelam-se axialmente um em relação ao outro.
5. Palheta guia (10') de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que inclui, em cada extremidade radial (16, 18), um flange fixador (14'a, 26'a) situado ao lado de uma borda dianteira (20) do aerofólio (12) e que se estende em direção a uma face lateral (12a) do aerofólio, e um flange fixador (14'b, 26'b) situado ao lado de uma borda posterior (22) do aerofólio e que se estende em direção a uma face lateral oposta (12b) do aerofólio.
6. Método para fabricar uma palheta guia (10; 10') como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, o método caracterizado pelo fato de que compreende em sucessão: • usar tecelagem tridimensional para preparar uma pré- forma de fibra (100) em uma peça única constituindo a pré-forma do aerofólio e dos flanges fixadores; • recortar a pré-forma de fibra para dar a ela o contorno das porções (102, 104, 106) que constituem o aerofólio e os flanges fixadores; • conformar a pré-forma recortada dobrando as porções que constituem os flanges fixadores; • conformar a pré-forma em um molde; e • densificar a pré-forma com uma resina.
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