BR112017019585B1 - Conjunto de anéis de turbina, e, turbomáquina - Google Patents

Abstract

A invenção se refere a um conjunto de anéis de turbina que compreende uma pluralidade de setores de anel (1) feita de material compósito de matriz cerâmica e uma estrutura de suporte de anel (2), cada setor de anel (1) tendo uma parte que forma uma base anular (5) com uma face interna (6) que define a face interna do anel de turbina e uma superfície externa (8) da qual pelo menos duas partes que formam abas (9a; 9b) que se estendem, a estrutura de suporte de anel (2) que compreende pelo menos duas abas de afixação (11a; 11b) que se estendem radialmente, as abas (9a; 9b) de cada setor de anel (1) prendendo as abas de afixação (11a; 11b) da estrutura de suporte de anel (2) pelo menos nas extremidades radiais internas (14a; 14b) de ditas abas de afixação (11a; 11b).

Description

Fundamentos da invenção

[001] A invenção se refere a um conjunto de anéis de turbina compreendendo uma pluralidade de setores de anel feita de material compósito de matriz cerâmica junto com uma estrutura de suporte de anel.

[002] Para conjuntos de anéis de turbina que são feitos completamente de metal, é preciso resfriar todos os elementos do conjunto e em particular o anel de turbina, que está sujeito às correntes de temperatura mais alta. Este resfriamento tem um impacto significativo no desempenho do motor, desde que a corrente de resfriamento que é usada é levada a partir da corrente principal do motor. Além disso, usar metal para o anel de turbina limita potencial para aumentar temperatura dentro da turbina, mesmo que sirva para melhorar o desempenho de aeromotores.

[003] Em uma tentativa de resolver estes problemas, foram feitas propostas para setores de anel de turbina para serem feitos de material compósito de matriz cerâmica (CMC) a fim de evitar usar um material de metal.

[004] Materiais CMC apresentam boas propriedades mecânicas que fazem deles adequados para constituir elementos estruturais, e vantajosamente eles conservam as propriedades em altas temperaturas. Usar materiais CMC vantajosamente torna possível reduzir a corrente de resfriamento solicitada na operação e assim aumenta o desempenho de turbomáquinas. Além disso, usar materiais CMC vantajosamente serve para reduzir o peso de turbomáquinas e reduzir o efeito de expansão em alta temperatura encontrado com partes de metal.

[005] Mesmo assim, as soluções existentes que já foram propostas podem envolver montagem de um setor de anel CMC com porções de afixação de metal de uma estrutura de suporte de anel, com as porções de afixação sendo sujeitas à corrente quente. Consequentemente, as soluções de montagem podem continuar a solicitar o uso de uma corrente de resfriamento, pelo menos para resfriar ditas porções de afixação que são feitas de metal. Além disso, as porções de afixação de metal estão sujeitas à expansão em alta temperatura, o que pode fazer com que os setores de anel CMC estejam sujeitos a tensão mecânica e sejam enfraquecidos.

[006] Conjuntos de anéis de turbina também são descritos nos Documentos US 2014/0271145, US 2004/0047726, US 6435 824, e GB 2344 140.

[007] Existe, portanto, uma necessidade de melhorar conjuntos de anéis de turbina existentes que fazem uso de material CMC a fim de reduzir adicionalmente a quantidade de gás de resfriamento que é necessário.

[008] Existe também uma necessidade de melhorar conjuntos de anéis de turbina existentes que fazem uso de material CMC a fim de reduzir a magnitude das tensões mecânicas as quais os setores de anel CMC estão sujeitos na operação.

Objetivo e sumário da invenção

[009] Para este fim, e em um primeiro aspecto, a invenção propõe um conjunto de anéis de turbina que compreende uma pluralidade de setores de anel feita de material compósito de matriz cerâmica, junto com uma estrutura de suporte de anel, cada setor de anel tendo uma porção que forma uma base anular com uma face interna que define a face interna do anel de turbina e uma face externa a partir da qual se projeta pelo menos duas porções que formam aba, a estrutura de suporte de anel tendo pelo menos duas abas de afixação se estendendo radialmente, as abas de cada setor de anel prendendo as abas de afixação da estrutura de suporte de anel pelo menos nas extremidades radialmente internas de ditas abas de afixação.

[010] A direção radial corresponde à direção ao longo de um raio do anel de turbina (uma linha reta que conecta o centro do anel de turbina a sua periferia). A extremidade radialmente interna de uma aba de afixação corresponde à extremidade de dita aba de afixação que está situada ao lado da passagem de fluxo da corrente de gás.

[011] Na invenção, as abas de afixação da estrutura de suporte de anel são recebidas, pelo menos em parte, entre as abas dos setores de anel. Estas abas de afixação são assim protegidas da corrente quente pelo setor de anel CMC que as prende de forma axial e que apresenta baixa condutividade térmica, constituindo assim uma barreira térmica para ditas abas de afixação. O setor de anel CMC torna isto possível para obter desacoplamento térmico entre a face interna do anel de turbina e as abas de afixação que estão seguras. A configuração da invenção torna assim possível reduzir a quantidade de gás que é necessário para resfriar as abas de afixação da estrutura de suporte de anel, e consequentemente leva a um aumento no desempenho do motor.

[012] Preferivelmente, as abas do setor de anel apresentam, na seção média, porções de inclinação voltadas para as abas de afixação da estrutura de suporte de anel, no qual porções de inclinação forma, respectivos ângulos não zero com relação à direção radial e à direção axial.

[013] A direção axial corresponde à direção ao longo do eixo geométrico de revolução do anel de turbina e à direção de fluxo da corrente de gás na passagem.

[014] O uso de tais porções de inclinação serve vantajosamente para fazer com que as abas do setor de anel deslizem sobre as abas de afixação da estrutura de suporte de anel no caso de expansão diferencial e, consequentemente, compensar as diferenças na expansão entre as abas de afixação e as abas do setor de anel, e também reduzir as tensões mecânicas dos quais os setores de anel estão sujeitos. A presença das porções de inclinação faz com que seja possível obter deslizamento dos setores de anel no caso de expansão radial e/ou axial das abas de afixação, fazendo assim que seja possível evitar qualquer bloqueio radial ou axial dos setores de anel e assim evitar que eles sejam sujeitos a tensões que são muito fortes. A presença de porções de inclinação é particularmente vantajosa quando as abas de afixação são recebidas entre as abas de setores de anel, de modo que as abas de afixação tenham consequentemente espaço relativamente restrito para expansão, o que pode levar uma significante tensão mecânica sendo aplicada contra as abas dos setores de anel se eles não forem providos com tais porções de inclinação.

[015] Em uma modalidade, as abas dos setores de anel podem prender as abas de afixação sobre um comprimento que é menor do que o comprimento das abas dos setores de anel.

[016] Em uma variante, as abas dos setores de anel podem prender as abas de afixação sobre um comprimento que é igual ao comprimento das abas dos setores de anel.

[017] Esta modalidade vantajosamente torna possível aumentar a área das superfícies de apoio entre as abas dos setores de anel e as abas de afixação, e reduzir a presença de forças locais nas superfícies de apoio.

[018] Em uma modalidade, as porções de inclinação podem formar um ângulo que fica na faixa de 30° a 60° com a direção radial.

[019] Preferivelmente, as abas dos setores de anel podem apresentar rebaixos em suas extremidades radialmente exteriores, os quais rebaixos se estendem em uma direção tangencial.

[020] A extremidade radialmente externa de uma aba de um setor de anel corresponde à extremidade de dita aba que está remotamente localizada a partir da passagem de fluxo da corrente de gás. A direção tangencial corresponde à direção circunferencial do anel de turbina.

[021] A presença de tais rebaixos serve vantajosamente para reduzir as tensões mecânicas as quais o setor de anel está sujeito enquanto em operação.

[022] Preferivelmente, um elemento amortecedor elástico pode estar presente entre as extremidades radialmente internas das abas de afixação da estrutura de suporte de anel e a base anular do setor de anel tendo as abas prendendo ditas abas de afixação.

[023] A presença de tal elemento amortecedor serve vantajosamente para amortecer os movimentos radiais dos setores de anel e assim contribuir para reter os setores de anel nas abas de afixação durante operação.

[024] Em uma modalidade, os elementos amortecedores podem incluir aberturas. A presença de uma ou mais aberturas pode vantajosamente permitir que os setores de anel sejam resfriados.

[025] Em uma modalidade, os setores de anel apresentam uma seção que é substancialmente conformado em π.

[026] A presente invenção também provê um turbomáquina que inclui um conjunto de anéis de turbina conforme definido acima.

[027] Em uma modalidade, o conjunto de anéis de turbina pode fazer parte do bocal de turbina no turbomáquina.

[028] O conjunto de anéis de turbina pode formar uma porção de um turbomáquina de gás de aviação, ou em uma variante pode-se formar uma porção de uma turbina de gás industrial.

Breve descrição dos desenhos

[029] Outras características e vantagens da invenção aparecem a partir da seguinte descrição de modalidades particulares da invenção dadas como exemplos não limitantes e com referência aos desenhos em anexo, no qual: - Figura 1 é uma vista de seção média que mostra uma modalidade de um conjunto de anéis de turbina da invenção; - Figura 2 mostra em isolamento um setor de anel usado no conjunto de anéis de turbina da Figura 1; - Figura 3 mostra um dos setores de anel sendo montados na estrutura de suporte de anel a fim de obter o conjunto de anéis de turbina da Figura 1; - Figura 4 é uma vista total do conjunto de anéis de turbina da Figura 1 uma vez que tudo dos setores de anel tiver sido montado; e - Figura 5 é uma vista de seção média que mostra uma modalidade variante de um conjunto de anéis de turbina da invenção.

Descrição detalhada de modalidades

[030] A figura 1 mostra um setor de anel de turbina 1 e uma carcaça 2 feita de material de metal e constituindo uma estrutura de suporte de anel. A série de setores de anel 1 é montada na carcaça 2 de modo a formar um anel de turbina que circunda uma série de lâminas rotativas 3. A seta F mostra a direção de fluxo da corrente de gás através da turbina. Os setores de anel 1 são feitos como peças únicas sem CMC. Usar um material CMC para fazer os setores de anel 1 é vantajoso a fim de reduzir solicitações para ventilar o anel. Os setores de anel 1 têm uma seção que é substancialmente conformada em π, com uma base anular 5 tendo sua face interna 6 com relação à direção radial R revestida em uma camada 7 de material abradável de modo a definir o trajeto de fluxo da corrente de gás através da turbina. A base anular 5 também apresenta uma face externa 8 com relação à direção radial R a partir do qual se projeta abas 9a e 9b.

[031] Cada setor de anel 1 acima descrito é feito de CMC formando uma pré-forma de fibra tendo um formato que está próximo àquele do setor de anel e densificando o setor de anel com uma matriz cerâmica.

[032] A fim de fazer a pré-forma de fibra, é possível usar fios feitos de fibras cerâmicas, por exemplo fios feitos de fibras de SiC tais como aquelas vendidas pela fornecedora japonesa Nippon Carbon sob o nome de "Nicalon", ou mais fios feitos de fibras de carbono.

[033] A pré-forma de fibra é vantajosamente feita por tecelagem tridimensional, ou por tecelagem multicamada com zonas de não interligação sendo provida de modo a permitir as porções de pré-forma que correspondem às abas 9a e 9b a serem movidas para longe da porção de pré-forma que corresponde à base 5.

[034] A tecelagem pode ser do tipo inter trava. Outras ondas tridimensionais ou multicamadas podem ser usadas, por exemplo, tais como ondas multi-planas ou multi-cetim. Referência pode ser feita ao Documento WO 2006/136755.

[035] Após tecelagem, o espaço em branco pode ser conformado de modo a obter uma pré-forma do setor de anel que é então consolidada e densificada com uma matriz cerâmica, onde a densificação pode ser realizada em particular por infiltração por vapor químico (CVI), como é bem conhecida. Um exemplo detalhado de fabricação de setores de anel sem CMC é descrito em particular no Documento US 2012/0027572.

[036] A carcaça 2 tem abas de afixação 11a e 11b que se estendem radialmente em direção à corrente de gás trajeto de fluxo, as abas 9a e 9b dos setores de anel 1 prendem axialmente as abas de afixação 11a e 11b da carcaça 2 de maneira estanque. As abas 9a e 9b dos setores de anel aplicam pressão ao longo da direção axial A contra as abas de afixação 11a e 11b da carcaça 2. As abas 9a e 9b dos setores de anel 1 não estão presentes entre os elementos de afixação da estrutura de suporte de anel 2. Ao contrário, são as abas de afixação 11a e 11b da estrutura de suporte de anel 2 que estão presentes entre as abas 9a e 9b dos setores de anel 1. A estrutura de suporte de anel 2 não prende as abas 9a e 9b dos setores de anel 1. O fato de que as abas 9a e 9b dos setores de anel 1 prendem as abas de afixação 11a e 11b da estrutura de suporte de anel 2 torna possível garantir que os setores de anel 1 sejam unidos à estrutura de suporte 2. Esta preensão é suficiente para garantir que os setores de anel 1 sejam unidos à estrutura de suporte de anel 2. O conjunto de anéis de turbina não tem elementos da estrutura de suporte de anel 2 que vêm para prender as abas 9a e 9b dos setores 1. As abas 9a e 9b dos setores de anel 1 prendem as abas de afixação da carcaça 2 ambos quando frios (isto é, a uma temperatura de 20°C) e quando quente (isto é, em operação).

[037] As abas de afixação 11a e 11b da carcaça 2 são recebidas em parte entre as abas 9a e 9b dos setores de anel 1, conforme mostrado (isto é, apenas uma porção do comprimento de cada aba de afixação 11a ou 11b é recebida entre as abas 9a e 9b). Em particular, as extremidades radialmente internas 14a e 14b das abas de afixação 11a e 11b estão presas entre as abas 9a e 9b. O fato de que as abas 9a e 9b prendem as abas de afixação 11a e 11b vantajosamente servem axialmente para proteger as abas de afixação 11a e 11b a partir da corrente de gás que flui na passagem, desde que o setor de anel 1 resista altas temperaturas e forme uma barreira térmica. A presença do fenômeno de expansão diferencial pode também vantajosamente tornar possível manter a estanqueidade da conexão entre os setores de anel 1 e as abas de afixação 11a e 11b da carcaça 2. Especificamente, expansão axial das abas de afixação 11a e 11b permite que uma quantidade pequena de pressão a ser exercida nas abas 9a e 9b dos setores de anel 1, servindo assim para manter a estanqueidade da conexão.

[038] As abas de afixação 11a e 11b são presas axialmente entre porções de inclinação 12a e 12b definidas pelas abas 9a e 9b do setor de anel 1. Conforme mostrado, as porções de inclinação 12a e 12b são localizadas voltadas para as abas de afixação 11a e 11b e apoiando contra ditas abas de afixação 11a e 11b a fim de prendê-las. As porções de inclinação 12a e 12b estão em contato com as abas de afixação 11a e 11b. Conforme mostrado, cada porção de inclinação 12a e 12b se estende em uma linha reta formando um ângulo não zero α1 com relação à direção radial R, e um ângulo não zero α2 com relação à direção axial A. As porções de inclinação 12a e 12b podem assim ser retilíneas no formato quando observadas na seção média. Conforme mencionado acima, usar estas porções de inclinação 12a e 12b vantajosamente torna possível compensar diferenças de expansão entre as abas de afixação 11a e 11b e as abas 9a e 9b dos setores de anel 1, e também reduzir as tensões mecânicas as quais os setores de anel 1 estão sujeitos. No exemplo mostrado, o setor de anel 1 é então conectado às abas de afixação 11a e 11b da carcaça 2 através de uma afixação com referência como uma afixação por martelada. Por meio de exemplo, o ângulo α1 pode ficar na faixa de 30° a 60°. Na seção média, as abas de afixação 11a e 11b também apresentam porções de inclinação que formam um ângulo não zero com as direções radial e axial, no qual o ângulo pode, por exemplo, ficar na faixa de 30° a 60°. As porções de inclinação das abas de afixação 11a e 11b estão localizadas voltadas para as porções de inclinação 12a e 12b das abas 9a e 9b dos setores de anel 1. As porções de inclinação 12a e 12b das abas 9a e 9b suportam contra as abas de afixação 11a e 11b através de porções de inclinação de ditas abas de afixação 11a e 11b. No exemplo mostrado, as porções de inclinação das abas de afixação 11a e 11b têm o mesmo formato das porções de inclinação 12a e 12b das abas 9a e 9b dos setores 1.

[039] No exemplo mostrado na Figura 1, cada uma das abas 9a ou 9b apresenta uma única porção de inclinação 12a ou 12b formando um ângulo não zero com relação à direção radial R e com relação à direção axial A. Não iria além do âmbito da presente invenção para cada uma das abas dos setores de anel para ter uma pluralidade de porções de inclinação, conforme descrito em detalhes abaixo. Como mostrado na Figura 1, as abas 9a e 9b dos setores de anel prendem as abas de afixação 11a e 11b sobre um comprimento e que é menor do que o comprimento p das abas 9a e 9b do setor de anel 1. Conforme mostrado, os comprimentos e e p são medidos perpendicularmente à face externa 8 da base anular 5 do setor de anel 1. Por meio de exemplo, o comprimento e pode ser menor ou igual a 0,75 vezes o comprimento p.

[040] Figura 1 mostra uma modalidade na qual apenas uma fração do comprimento de cada aba de afixação 11a e 11b é recebida entre as abas 9a e 9b. Em uma variante que não é mostrada, as abas do setor de anel são de comprimento que é suficiente para ser capaz de prender substancialmente o comprimento total das abas de afixação.

[041] No exemplo mostrado na Figura 1, um elemento amortecedor resiliente 15 está presente entre as extremidades radialmente internas 14a e 14b das abas de afixação 11a e 11b e a base anular 5 do setor de anel 1 tendo suas abas 9a e 9b que prende ditas abas de afixação 11a e 11b. Por meio de exemplo, o elemento amortecedor resiliente 15 pode estar na forma de uma placa, por exemplo, feito de um material de metal. O elemento amortecedor 15 pode incluir uma ou mais aberturas. A presença destas aberturas é vantajosa a fim de permitir que o setor de anel 1 seja resfriado.

[042] Figura 2 mostra um setor de anel 1 em isolamento conforme usado no conjunto de anéis de turbina da Figura 1. Conforme mostrado, as abas 9a e 9b do setor de anel 1 apresenta rebaixos 17a e 17b nas suas extremidades radialmente externas 16a e 16b, os rebaixos se estendendo tangencialmente quando o setor de anel 1 está fixado à estrutura de suporte de anel. Como mencionado acima, a presença de rebaixos 17a e 17b serve vantajosamente para reduzir as tensões mecânicas as quais o setor de anel 1 está sujeito na operação. Além disso, o setor de anel 1 pode incluir uma ou mais tiras de vedação 18. Uma vez que todos os setores de anel 1 foram montados no suporte de anel, estas tiras de vedação 18 servem para reduzir ou até eliminar vazamentos de ar entre os setores de anel 1.

[043] Figura 3 mostra um setor de anel 1 sendo montado com a carcaça 2. O setor de anel 1 para montagem é apresentado voltado para o entalhe na carcaça 2. Em uma modalidade, o setor de anel 1 para montagem pode ser provido com um elemento amortecedor 15, conforme mostrado na Figura 1. O setor de anel 1 é inserido em translação e é então comutado angularmente conforme representado por setas na Figura 3. Figura 4 é uma vista do conjunto de anéis de turbina da Figura 1 uma vez que todos os setores de anel foram montados. Conforme mostrado, uma pluralidade de setores de anel CMC 1 é montada na estrutura de suporte de anel 2. O conjunto de anéis de turbina também inclui uma chave de fechamento 20 que está presente em registro com um dos setores de anel e que serve para prover coesão para a montagem dos setores de anel um com o outro. A chave de fechamento 20 está presente em registro com o último setor de anel a ser montado.

[044] A Figura 5 mostra uma modalidade variante nas quais as abas 9'a e 9'b dos setores de anel 1' prendem as abas de afixação 11'a e 11'b sobre um comprimento que é substancialmente igual ao comprimento das abas 9'a e 9'b. No exemplo da Figura 5, cada uma das abas 9'a e ou 9'b apresenta uma primeira porção de inclinação 12'a ou 12'b que forma ângulos não zero com relação à direção radial e à direção axial, junto com uma segunda porção de inclinação 12"a ou 12"b formando ângulos não zero com relação à direção radial e à direção axial. As primeira e segunda porções de inclinação estão presentes em ambos os lados de uma dobra C formada pelas abas 9'a e 9'b do setor de anel 1'. Conforme mostrado, a dobra C pode estar localizada substancialmente na metade ao longo de as abas 9'a e 9'b.

[045] O termo "ficar na faixa de ... a ..." deve ser entendido como incluindo os valores de extremidade.

Claims (9)

1. Conjunto de anéis de turbina, caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade de setores de anel (1; 1') feita de material compósito de matriz cerâmica, junto com uma estrutura de suporte de anel (2), cada setor de anel (1; 1') tendo uma parte que forma uma base anular (5) com um face interna (6) que define a face interna do anel de turbina e uma superfície externa (8) da qual projetam pelo menos duas partes que formam aba (9a; 9b; 9'a; 9'b), a estrutura de suporte de anel (2) tendo pelo menos duas abas de afixação (11a; 11b; 11'a; 11'b) que se estendem radialmente, as abas (9a; 9b; 9'a; 9'b) de cada setor de anel (1; 1') prendem axialmente as abas de afixação (11a; 11b; 11'a; 11'b) da estrutura de suporte de anel (2) pelo menos nas extremidades radialmente internas (14a; 14b; 14'a; 14'b) de ditas abas de afixação (11a; 11b; 11'a; 11'b), as abas dos setores de anel não estando presentes entre elementos de afixação da estrutura de suporte de anel, as abas (9a; 9b; 9'a; 9'b) dos setores de anel (1; 1') apresentando, na seção do meridiano, partes inclinadas (12a; 12b; 12'a; 12'b; 12"a; 12"b) se apoiando contra as abas de afixação (11a; 11b; 11'a; 11'b) da estrutura de suporte de anel (2), as partes inclinadas (12a; 12b; 12'a; 12'b; 12"a; 12"b) formando respectivos ângulos não zero (α1, α2) relativos à direção radial (R) e à direção axial (A).

2. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as abas (9a; 9b) dos setores de anel (1) prendem as abas de afixação (11a; 11b) sobre um comprimento que é menor do que o comprimento das abas (9a; 9b) dos setores de anel (1).

3. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as abas (9'a; 9'b) dos setores de anel (1') prendem as abas de afixação (11'a; 11'b) sobre um comprimento que é substancialmente igual ao comprimento das abas (9'a; 9'b) dos setores de anel (1').

4. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partes inclinadas (12a; 12b; 12'a; 12'b; 12"a; 12"b) formam um ângulo que fica na faixa de 30° a 60° com a direção radial (R).

5. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as abas (9a; 9b) dos setores de anel (1) apresentam rebaixos (17a; 17b) nas suas extremidades radialmente externas (16a; 16b), nos quais os rebaixos se estendem em uma direção tangencial.

6. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um elemento amortecedor elástico (15) está presente entre as extremidades radialmente internas (14a; 14b) das abas de afixação (11a; 11b) da estrutura de suporte de anel (2) e da base anular (5) do setor de anel (1) tendo as abas (9a; 9b) prendendo ditas abas de afixação (11a; 11b).

7. Conjunto de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que os elementos de amortecedor (15) incluem aberturas.

8. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os setores de anel apresentam uma seção que é substancialmente conformada em n.

9. Turbomáquina, caracterizado pelo fato de que inclui um conjunto de anéis de turbina como definido na reivindicação 1.