BR112018016416B1 - Núcleo de cerâmica e método para formar furos removedores de poeira calibrados - Google Patents

Abstract

A invenção refere-se a um núcleo de cerâmica (10) usado para a fabricação de uma pá de turbina oca para uma turbomáquina, usando a técnica de fundição por cera perdida, dita pá compreendendo furos removedores de poeira calibrados se estendendo a partir de um vértice de pelo menos uma cavidade (22) e se abrindo em um canal da pá, cada um de ditos furos removedores de poeira calibrados sendo formados em uma parte do núcleo com uma altura predeterminada suficiente para garantir resistência mecânica, dita parte do núcleo compreendendo um orifício passante tendo um eixo geométrico perpendicular a um eixo geométrico longitudinal do furo removedor de poeira calibrado e definindo, em cada lado do orifício passante, um cilindro de núcleo tendo um diâmetro predeterminado correspondendo ao furo removedor de poeira a ser formado e um volume de núcleo restante que é destinado a ser recarregado após a fundição, de modo que o furo removedor de poeira calibrado seja obtido sem perfuração e sem o uso de hastes de conexão.

Description

Campo da invenção

[001] A presente invenção se refere ao campo geral dos conjuntos de pás de turbina de motor de turbina, e mais particularmente às pás de turbina munidas de circuitos de resfriamento integrados feitas pela técnica de fundição por cera perdida.

Técnica anterior

[002] De maneira conhecida em si, um motor de turbina inclui uma câmara de combustão na qual o ar e o combustível são misturados antes de serem queimados na mesma. Os gases provenientes desta combustão escoam para a jusante da câmara de combustão e alimentam em seguida uma turbina de alta pressão e uma turbina de baixa pressão. Cada turbina inclui uma ou várias carreiras de pás fixas (chamadas distribuidores) alternando com uma ou várias carreiras de pás móveis (chamadas rodas móveis), espaçadas de maneira circunferencial em torno de todo o rotor da turbina. Estas pás de turbina são submetidas às temperaturas muito elevadas dos gases de combustão, as quais atingem valores largamente superiores àqueles que podem suportar sem danificar estas pás que estão em contato direto com estes gases, o que implica necessariamente assegurar seu resfriamento contínuo por um circuito de resfriamento integrado que, quando se deseja assegurar um resfriamento eficaz e preciso sem aumentar significativamente a vazão de ar e sem penalizar os desempenhos do motor, inclui múltiplas cavidades. As pás ocas assim formadas são fabricadas pelo método de fundição dito “por cera perdida” que requer o recurso a uma peça modelo ou núcleo cuja superfície exterior corresponde à superfície interna da pá acabada, como descrito no pedido FR2961552 depositado em nome da requerente.

[003] O ar necessário para o funcionamento do motor contém geralmente diversas poeiras (em particular areia fina) que podem se acumular nos circuitos de resfriamento das pás de turbina provocando a obturação dos orifícios de evacuação na saída das cavidades e ameaçando assim a integridade da pá. Para mitigar este problema, as pás de turbina são equipadas no topo da cavidade de furos removedores de poeira calibrados, obtidos por usinagem de grande precisão ou a partir de hastes de conexão de alumina ou de quartzo inseridas no núcleo cerâmico e cujo papel é o de gerar estes furos e garantir a evacuação destas partículas depois de seu desprendimento (ou seja, sua dissolução).

[004] O uso destas hastes de conexão apresenta, todavia, certos problemas. Em primeiro lugar, as hastes de alumina são muito dificilmente elimináveis pelas soluções básicas (ou nas condições de desprendimento padrão dos núcleos cerâmicos) e requerem um tempo de permanência elevado, uma concentração de soda ou potassa muito elevada e temperaturas e pressões muito elevadas suscetíveis de serem agressivas no que se refere à liga (corrosão sob tensão). Da mesma forma, as hastes de quartzo apresentam uma baixa resistência mecânica penalizando assim seu uso em um método de fundição por cera perdida ou o núcleo que possui um coeficiente de dilatação térmica (CTE) diferente e é também frequentemente de composição diferente sofre várias tensões mecânicas. Em seguida, o uso de hastes não é aplicável em todos os métodos de fabricação de núcleos. No caso, por exemplo, dos núcleos elaborados por fabricação aditiva ou dos núcleos obtidos por usinagem em um bloco cerâmico, as hastes não podem ser encastradas no núcleo no decorrer da fabricação (contrariamente ao método de moldagem por injeção). Por fim, o uso de hastes não é aplicável a todas as geometrias de núcleos notadamente aquelas empregando placas finas cujas hastes devem então se conjugar à forma.

[005] Além disso, a montagem de vários núcleos cerâmicos é feita geralmente pelo pé e pela cabeça dos núcleos (partes não funcionais do núcleo), o excesso de matéria resultante do vazamento (consequência da montagem dos núcleos) deve ser eliminado durante a usinagem do canal o que requer o recurso a diversas técnicas de recarregamento (tamponamento) ou de brasagem de placas. Mas estas placas brasadas não são robustas (estas últimas podem se destacar e pode então ser necessário espessá-las localmente) e o recarregamento frequentemente não é preciso (profundidade tamponada incerta). Então, a perfuração das hastes de conexão formando os furos removedores de poeira se mostra particularmente delicada porque esta perfuração calibrada se efetua no local retamponado precedentemente, assim, com um diâmetro menor enquanto se respeita o mínimo dimensionado para evacuar os detritos. O pedido US2010/303625 ilustra uma tal perfuração de hastes de cerâmica por EDM.

Objetivo e sumário da invenção

[006] A presente invenção visa, pois, mitigar os inconvenientes acima citados, propondo um arranjo geométrico do núcleo permitindo obter simplesmente furos removedores de poeira de modo mais confiável que atualmente e notadamente sem prejudicar a robustez deste núcleo. Uma outra finalidade é suprimir a operação final de perfuração do canal da técnica anterior para obter estes orifícios.

[007] Para este fim, é provido um núcleo cerâmico usado para a fabricação de uma pá de turbina oca de motor de turbina de acordo com a técnica de fundição por cera perdida, a dita pá incluindo furos removedores de poeira calibrados estendendo-se a partir de um topo de pelo menos uma cavidade e se abrindo em um canal da dita pá, distinguido pelo fato de que cada um dos ditos furos removedores de poeira calibrados é formado em uma parte de núcleo de uma altura determinada suficiente para garantir a sua resistência mecânica, a dita parte de núcleo incluindo um orifício passante de eixo geométrico perpendicular a um eixo geométrico longitudinal do dito furo removedor de poeira calibrado e definindo em cada lado do dito orifício passante em primeiro lugar um cilindro de núcleo de um diâmetro determinado correspondente ao dito furo removedor de poeira a ser formado e em segundo lugar um volume de núcleo restante destinado a ser retamponado depois da fundição de modo que o dito furo removedor de poeira calibrado seja obtido sem perfuração e sem uso de hastes de conexão.

[008] Assim, os furos removedores de poeira podem ser obtidos diretamente da fundição por injeção, fabricação aditiva ou usinagem dos núcleos cerâmicos sem perfuração nem uso de hastes de conexão. Qualquer fonte passível de dilatação térmica diferencial é suprimida, a resistência mecânica do núcleo é melhorada e correlativamente as propriedades mecânicas da pá são assim mantidas. Com este núcleo, a operação de usinagem da técnica anterior devendo levar em conta as incertezas restritivas e podendo impactar de maneira nefasta a geometria das placas de um circuito multicavidades é também suprimida.

[009] De acordo com o modo de realização considerado, a dita parte de núcleo pode formar uma parte de uma coluna lateral destinada a criar uma cavidade lateral da dita pá ou uma zona de conexão intercavidades entre a dita pelo menos uma cavidade e o dito canal.

[0010] De preferência, sobre uma porção de núcleo correspondente ao dito canal a ser criado, é provida uma zona de recuo para permitir uma centralização do dito orifício passante na dita zone de conexão, de modo a garantir uma melhor resistência da dita parte de núcleo durante a fundição.

[0011] Vantajosamente, quando o dimensionamento da pá o impõe, o dito volume de núcleo restante inclui pelo menos um enrijecedor lateral (dois enrijecedores conferindo-lhe um formato quadrilobular) dimensionado de maneira a garantir uma melhor resistência da dita parte de núcleo durante a fundição.

[0012] A invenção se refere igualmente ao método de formação de furos removedores de poeira calibrados em uma pá de turbina oca de motor de turbina realizada conforme a técnica de fundição por cera perdida por meio de um núcleo cerâmico como explicitado precedentemente e toda turbina de motor de turbina munida de uma pluralidade de pás resfriadas fabricada a partir de um tal método.

Breve descrição dos desenhos

[0013] Outras características e vantagens da presente invenção vão ressaltar a descrição dada abaixo, com referência aos desenhos anexos que ilustram um exemplo de realização desprovido de qualquer caráter limitativo e nos quais: - a figura 1 é uma vista parcial de um núcleo para pá de turbina de acordo com a invenção, - a figura 2 é uma vista de uma parte do núcleo da figura 1 no nível de uma placa lateral, - as figuras 2A e 2B são respectivamente vistas após fundição e após usinagem uma vez da parte de núcleo da figura 2 retirada, - a figura 3 é uma vista de uma parte do núcleo da figura 1 no nível de uma conexão com o canal, e - as figuras 3A e 3B são respectivamente vistas após fundição e após usinagem uma vez da parte de núcleo da figura 3 retirada.

Descrição detalhada de um modo de realização

[0014] A figura 1 representa, no nível de sua montagem de cabeça, um núcleo cerâmico destinado à realização de uma pá de turbina oca de motor de turbina. O núcleo cerâmico 10, no exemplo ilustrado, inclui sete partes ou colunas. A primeira coluna 12, que é destinada a se encontrar do lado da chegada dos gases de combustão, corresponde a uma cavidade de borda de ataque que vai ser criada após fundição, enquanto que a segunda coluna 14 corresponde a uma cavidade central que lhe é adjacente. Esta última recebe um fluxo de ar de resfriamento por uma canalização resultante, após fundição, da presença de um primeiro pé de coluna do núcleo. Três outras colunas 16, 18, 20 correspondem a cavidades adjacentes que recebem um segundo fluxo de ar de resfriamento trazido por uma outra canalização proveniente da presença de um segundo pé de coluna do núcleo. Por fim, o núcleo inclui ainda sexta e sétima colunas laterais 22, 24 correspondendo a cavidades laterais criadas após a fundição e separadas uma e outra das segunda e terceira colunas 14, 16 por um espaçamento determinado necessário à criação de uma parede intercavidades maciça durante o vazamento do metal fundido.

[0015] As primeira e segunda colunas 12 e 14 são ligadas uma à outra por uma série de pontes 26, às quais vão corresponder, após fundição, a orifícios de alimentação com ar para o resfriamento da cavidade de borda de ataque. Com referência à quarta coluna 18, outras pontes 28 inclinadas verticalmente formando regiões adelgaçadas de núcleo permitem criar regiões enrijecidas de pá. O tamanho das diferentes pontes é determinado para evitar sua ruptura durante a manipulação do núcleo 10, o que o tornaria inutilizável. As pontes são, no exemplo considerado, repartidas ao serem espaçadas de modo praticamente regular sobre a altura do núcleo em particular no nível da primeira coluna do núcleo.

[0016] De acordo com a invenção, os furos removedores de poeira das pás de turbinas necessários para a evacuação das poeiras (em particular a areia fina) que podem se acumular nos circuitos de resfriamento, são obtidos por um arranjo geométrico de uma parte de núcleo, diretamente fundição em bruto, sem perfuração e sem uso de hastes de conexão quer se tratem de furos presentes no nível das cavidades laterais do núcleo quer daqueles assegurando a conexão com o canal. Se o núcleo assim formado se distingue dos núcleos existentes, o método de fabricação por cera perdida da pá uma vez que este núcleo é realizado é clássico e consiste em primeiro lugar em formar um molde de injeção no qual é colocado o núcleo antes da injeção da cera. O modelo de cera assim criado é em seguida imerso em pastas semifluidas constituídas de suspensão de cerâmica para confeccionar um molde de fundição (chamado também molde carapaça). Por fim, elimina-se a cera e se coze o molde carapaça no qual o metal fundido pode então ser vazado. Usinagens finais (todavia simplificadas em relação àquelas da técnica anterior) descritas mais adiante vão permitir então obter a pá acabada.

[0017] De acordo com a invenção e como ilustrado na figura 2, é previsto dispor localmente, no nível da parte de núcleo 22A, a geometria das colunas laterais 22, 24 (partes do núcleo de cerâmica gerando as cavidades laterais) de maneira a formar em primeiro lugar um cilindro de núcleo 30 de um diâmetro determinado (calibre da ordem de 0,5 mm a 0,8 mm) correspondente ao furo removedor poeira a obter, e ainda de altura a menor possível para garantir a resistência mecânica da placa e em segundo lugar um volume de núcleo 33 correspondente ao espaço restante do núcleo e destinado a ser retamponado após a fundição. Esta geometria pode ser obtida classicamente integrando um perturbador de tipo ponte no molde da placa (no nível de um orifício passante de eixo geométrico longitudinal definindo em uma direção perpendicular a este eixo geométrico o cilindro 30 e o volume restante 33) paro o caso da injeção cerâmica ou sem tensão suplementar para o caso de uma fabricação aditiva ou por usinagem de núcleos.

[0018] Quando o dimensionamento da pá de turbina o impõe e levando em conta o aspecto frágil da cerâmica, convém garantir a resistência mecânica do núcleo cuidando para não fragilizar mecanicamente as placas obtidas após fundição, por exemplo, enrijecendo-as por uma adição de um ou vários enrijecedores impedindo assim a ruptura das placas nestes locais. Deve-se notar que tais enrijecedores laterais (ilustrados pela a referência 39 na figura 2B) têm um impacto muito pequeno sobre a injeção (a seção global não variando de maneira muito considerável, a parte perdida com a perfuração sendo compensada com a adição do enrijecedor).

[0019] Da mesma forma, os núcleos cerâmicos realizados por injeção devem ser desmoldados, sendo necessário bem evidentemente se assegurar que estes núcleos possuem afilamentos suficientes em relação a um eixo geométrico de desmoldagem técnica. Com efeito, se este eixo geométrico de desmoldagem não estiver bem orientado, a placa pode ser fortemente fragilizada.

[0020] A figura 2A ilustra a parte superior da pá (canal) obtida no final da fundição (fundição em bruto) com as duas cavidades 32, 34 correspondendo às duas colunas laterais e a matéria excedente que as circunda devido à montagem destas colunas. Na figura 2B, encontra-se o mesmo canal após usinagem desta matéria excedente e constata-se que, com a invenção, dois furos 36A, 38A; 36B, 38B são formados no nível de cada cavidade (em lugar de um só na técnica anterior). Um deles 36A, 36B tendo a dimensão do cilindro de núcleo 30 vai assegurar a função de remoção de poeira, o outro furo 38A, 38B que não tem função particular e tem a dimensão do volume de núcleo restante 33, é destinado a ser retamponado. Assim, com a invenção, a operação de tamponamento/perfuração do furo de remoção de poeira, a mais delicada e apresentando o menos de robustez na realização da técnica anterior, é suprimida. O problema existente na técnica anterior da profundidade incerta do tamponamento não prejudica mais a boa realização do canal porque esta última não mais tem de ser perfurada.

[0021] A conexão com o canal é ilustrada na figura 3. Como para as placas laterais, para obter um furo removedor de poeira, é provido um arranjo geométrico local da conexão, formando de um lado e de outro do orifício passante 41, em primeiro lugar, um cilindro de núcleo 40 de um diâmetro determinado correspondente ao diâmetro do furo removedor de poeira a ser realizado e, em segundo lugar, o volume restante de núcleo 43 destinado a ser retamponado após a fundição. O cilindro de núcleo apresenta ainda uma altura a menor possível para garantir a boa resistência do núcleo e evitar a formação de trincas. Como precedentemente, o orifício passante pode ser formado pelo uso de um perturbador de tipo ponte integrado no molde de fundição. Todavia, o espaço disponível e entre as cavidades e o canal sendo muito restrito e a conexão intercavidades sendo fina (assim com uma pequena seção), é provido também dispor sobre uma porção do núcleo no nível do canal a ser criado uma zona de recuo de modo a permitir obter um espaço d maior. Além disso, o orifício passante 41 destinado a receber o perturbador que se encontra por causa disso centrado sobre a conexão intercavidades, obtém-se também uma melhor robustez durante a fundição.

[0022] A figura 3A ilustra a parte superior da pá (canal) obtida no final da fundição (fundição em bruto) com o ressalto 42 resultante da retração do núcleo do espaço d. Na figura 3B, encontra-se o mesmo canal após usinagem deste ressalto e constata-se que, com a invenção, dois furos 44, 46 são formados no nível do canal. Vai-se notar a presença de dois enrijecedores laterais 48A, 48B, dando uma forma quadrilobular ao segundo furo (correspondendo a uma seção do volume 43) e dimensionados de maneira a garantir a robustez do núcleo. No caso de uma injeção cerâmica, isto permite igualmente aumentar a seção e garantir um melhor preenchimento e nos casos de uma fabricação aditiva e de uma usinagem de núcleos, os enrijecedores enrijecem a conexão e impedem a deformação dos núcleos.

[0023] Naturalmente, como enunciado precedentemente, no caso da injeção cerâmica, é necessário que o núcleo permaneça desmoldável e assim a conexão adicionada também o deve ser, assim como o furo praticado nesta última.

[0024] Com a invenção, é assim proposto um meio de combinar as funções de retenção de núcleo e de elaboração de furos removedores de poeira (função habitualmente assegurada por hastes) adaptado a qualquer tipo de método de fabricação do núcleo e a qualquer tipo de geometria deste núcleo.

Claims (6)

1. Núcleo de cerâmica (10) usado para fabricar uma pá de turbina oca para um motor de turbina usando a técnica de fundição por cera perdida, a pá incluindo furos removedores de poeira calibrados estendendo-se a partir de um topo de pelo menos uma cavidade (22) e se abrindo em um canal da pá, caracterizado pelo fato de que cada um dos furos removedores de poeira calibrados é formado em uma porção de núcleo (22A), a porção de núcleo incluindo um orifício passante (31, 41) de eixo geométrico perpendicular a um eixo geométrico longitudinal do furo removedor de poeira calibrado e definindo em cada lado do orifício passante em primeiro lugar um cilindro de núcleo (30, 40) tendo um diâmetro determinado correspondendo ao furo removedor de poeira que vai ser formado, e em segundo lugar um volume de núcleo restante (33, 43) destinado a ser retamponado após o vazamento.

2. Núcleo de cerâmica de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a porção de núcleo forma uma porção (22A) de uma coluna lateral (22, 24).

3. Núcleo de cerâmica de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o volume de núcleo restante inclui pelo menos um enrijecedor lateral (39; 48A, 48B).

4. Núcleo de cerâmica de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o volume de núcleo restante inclui dois enrijecedores laterais (48A, 48B) um de frente para o outro e conferindo-lhe um formato quadrilobular.

5. Método para formar furos removedores de poeira calibrados em uma pá de turbina oca de motor de turbina feita pela técnica de fundição por cera perdida usando um núcleo de cerâmica como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4, cuja superfície externa é destinada a formar a superfície interna da pá acabada, método esse sendo caracterizado pelo fato de que compreende uma etapa de formação de um orifício passante (31, 41) em uma porção de núcleo (22A), o orifício passante (31, 41) sendo de eixo geométrico perpendicular a um eixo geométrico longitudinal do furo removedor de poeira calibrado e definindo em cada lado do orifício passante em primeiro lugar um cilindro de núcleo (30, 40) tendo um diâmetro determinado correspondendo ao furo removedor de poeira que vai ser formado e, em segundo lugar, um volume de núcleo restante (33, 43) destinado a ser retamponado após o vazamento.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o orifício passante é formado usando um perturbador do tipo ponte.

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