BRPI0117140B1

BRPI0117140B1 - Método implementado por computador para a previsão de respostas de frequência natural e dispositivo para determinar uma resposta de frequência natural de componentes de juntas de fole envolvido

Info

Publication number: BRPI0117140B1
Application number: BRPI0117140-2A
Authority: BR
Inventors: Mark Richard Shaw; Christen Staton Vonderau
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2015-05-19
Also published as: CA2459737A1; MXPA04002410A; CN1545616A; JP2005502868A; WO2003023336A1; CN1332187C; JP4869554B2; BR0117140A; EP1428001B1; DE60143860D1; EP1428001A1

Description

“MÉTODO IMPLEMENTADO POR COMPUTADOR PARA A PREVISÃO DE

RESPOSTAS DE FREQUÊNCIA NATURAL E DISPOSITIVO PARA

DETERMINAR UMA RESPOSTA DE FREQUÊNCIA NATURAL DE COMPONENTES DE JUNTAS DE FOLE ENVOLVIDO” Campo da Invenção [001] A presente invenção se refere, em geral, a juntas tipo fole envolvido (shrouded bellows) e, mais em particular, a técnicas de modelagem usadas para prever as respostas de frequência natural em sistemas de tubos que incluem juntas tipo fole envolvido.

Antecedentes da Invenção [002] As juntas tipo fole envolvido ou juntas de esfera vedadas são geralmente empregadas em sistemas de dutos de motores de turbina a gás para conectar as seções adjacentes de tubulações de condução de fluidos, as quais necessitam de articulação entre estes. As juntas tipo fole envolvido fornecem uma junta flexível que previne o vazamento do fluido que flui por dentro destas, apesar do movimento potencial entre as seções adjacentes da tubulação. Tal movimento pode ser, por exemplo, causado como resultado da expansão térmica no sistema de dutos durante a operação do motor. [003] As juntas tipo fole envolvido estão tipicamente localizadas em diversos locais dentro e ao redor do motor. Para projetar as juntas tipo fole envolvido e os equipamentos associados, a fim de evitar o estresse dito fadiga de alto ciclo (HCF - High Cicie Fadigue), são empregadas as técnicas de modelagem para prever as respostas de frequência natural no sistema de dutos que inclui os componentes de juntas tipo fole envolvido. As técnicas de modelagem conhecidas usam modelos analíticos que aproximam a resposta em frequência natural com os dados de testes fornecidos pelo fabricante. Tais dados de testes são tipicamente obtidos através de testes estáticos da rigidez do componente. Os modelos analíticos incorporam os dados de rigidez estática através da atribuição de uma constante de mola ou elástica aos vários elementos elásticos (tipo mola) usados para representar as juntas tipo fole envolvido nos modelos analíticos. Os elementos elásticos fornecem uma entrada da rigidez das juntas tipo fole envolvido (shrouded bellows) para a determinação analítica da resposta da frequência natural. Devido ao fato que a resposta de frequência natural das juntas tipo fole envolvido está baseada em um dado de testes de rigidez estática, a capacidade dos modelos analíticos em estimar a resposta em frequência natural das juntas tipo fole envolvido é potencialmente limitada.

Descrição da Invenção [004] Na forma de realização a título de exemplo, um sistema de modelagem prevê de forma acurada as respostas em frequência natural nos subsistemas de dutos os quais incluem componentes de juntas tipo fole envolvido. O sistema de modelagem caracteriza a junta tipo fole envolvido utilizando em elemento de geometria padrão o qual inclui um multiplicador da rigidez atribuído, baseado nos dados dinâmicos de rigidez do componente ao invés dos dados de teste estático da rigidez do componente. Na forma de realização a título de exemplo, o sistema de modelagem caracteriza as juntas tipo fole envolvido utilizando um elemento de geometria padrão, que é um elemento em tubo, o qual inclui um fator fornecido de flexibilidade, e o sistema de modelagem determina o fator de flexibilidade utilizando técnicas de regressão. Uma equação de regressão de exemplo leva em conta, para o sistema de tubos, diâmetro, passo da junta tipo fole envolvido, pressão operacional do sistema e a entrada operacional do sistema dinâmico. O sistema de modelagem facilita as previsões acuradas das respostas em frequência natural em subsistemas de tubos, os quais incluem juntas tipo fole envolvido (shrouded bellows), com um custo aceitável e de forma confiável.

Breve Descrição dos Desenhos [005] Breve relação dos desenhos, nos quais: - A figura 1 é uma ilustração esquemática em vista frontal de um subsistema de tubos incluindo uma pluralidade de juntas tipo fole envolvido; - A figura 2 é uma vista lateral parcialmente em corte de uma junta tipo fole envolvido empregada com o subsistema de tubos mostrado na figura 1; e - A figura 3 é um diagrama de fluxo do método para a modelagem das respostas em frequência natural nos subsistemas de tubos, tal como o subsistema de tubos mostrado na figura 1.

Descrição de Realizações da Invenção [006] A figura 1 é uma ilustração esquemática em vista frontal de um subsistema de tubos 10 incluindo uma pluralidade de juntas tipo fole envolvido 12. O subsistema de tubos 10 está radialmente fixado, do lado de fora, a um motor de turbina a gás 14 com uma pluralidade de ligações de extremidades alongadas 16. As ligações de extremidade alongadas 16 se estendem radialmente para fora a partir de uma superfície externa 20 do bloco do motor 22. Cada ligação de extremidade alongada 16 inclui uma presilha circular 24 para segurar o subsistema de tubo 10. [007] O subsistema de tubo 10 inclui uma pluralidade de seções de tubos 30 conectadas entre elas para formar uma passagem de fluxo. Cada presilha de ligação alongada 24 segura uma das seções tubulares 30 e fixa dita seção tubular 30 ao bloco do motor 22. Cada junta tipo fole envolvido 12, descrita em maiores detalhes abaixo, está conectada em comunicação de fluxo entre seções tubulares 30 adjacentes e fornece uma união flexível que apresenta uma variação angular a prova de vazamento entre seções adjacentes da tubulação 30. Ainda mais, as juntas tipo fole 12 fornecem flexibilidade ao subsistema de tubos 10, a qual pode ser necessária de forma a defletir fisicamente as seções tubulares 30 para assim facilitar a instalação de outros componentes (não ilustrados) do motor 14, e para acomodar a expansão térmica das seções de tubos 30 durante a operação do motor. [008] A figura 2 é uma vista lateral parcialmente em corte de uma junta tipo fole envolvido 12 empregada para unir um primeiro tubo 34, em comunicação de fluxo, com um segundo tubo 36. A junta tipo fole envolvido evita o escape de fluido entre tubos adjacentes 34 e 36 enquanto fornece um movimento articulado ou pivotado entre os tubos 34 e 36. O primeiro tubo 34 apresenta um primeiro diâmetro 37, e o segundo tubo 36 apresenta um segundo diâmetro 38. [009] A junta tipo fole envolvido 12 inclui um envoltório tubular externo 40 o qual envolve, em parte, um envoltório tubular interno 42. O envoltório externo 40 é formado por uma única pega e inclui em uma primeira extremidade 44 uma luva cilíndrica integral 46 para ser fixada a um primeiro tubo 34. O envoltório 40 também inclui em uma segunda extremidade 48, uma coroa côncava esférica integrada 50. [010] O envoltório interno 42 inclui em uma primeira extremidade 52, uma luva cilíndrica 54 para fixação ao segundo tubo 36. O envoltório 42 inclui em uma segunda extremidade 56 uma coroa convexa esférica integrada 58. O diâmetro externo (não mostrado) da coroa convexa 58 é aproximadamente igual ao diâmetro interno (não mostrado) da coroa côncava 50, de tal forma que a coroa convexa 58 do envoltório interno encontra-se em contato deslizante com a coroa côncava 50 do envoltório externo. [011] Um fole tubular 74 é coaxial ao eixo central dos envoltórios interno e externo (não mostrados). O fole 74 é disposto entre o envoltório interno 42 e o alinhador do fole 75, permitindo que as primeira e segunda pegas da tubulação 34 e 36, respectivamente, se unam de forma hermética, bem como permitam um movimento limitado de pivô entre eles. O fole 74 inclui uma pluralidade de corrugações 76 axialmente espaçadas para fornecer uma vedação flexível entre os envoltórios interno e externo 42 e 40, respectivamente. As porções correspondentes das corrugações correspondentes 76 definem um pago 80 para o fole 74. [012] A figura 3 é um diagrama de fluxo 100 de um método para a modelagem das respostas de frequência natural em um subsistema tubular, tal como o subsistema tubular 10 (mostrado na figura 1), o qual inclui uma junta tipo fole envolvido 12 (mostrada nas figuras 1 e 2). O método pode ser realizado em um computador (não mostrado), tal como um computador pessoal ou uma estação de trabalho, incluindo uma interface (não mostrada), tal como um teclado e um monitor, um processado e uma memória. [013] Inicialmente, são escolhidos os valores de entrada 110 que são indicativos das características do subsistema de tubos. Mais especificamente, são selecionados os valores para de entradas das condições operacionais dinâmicas 114 e de entrada da geometria da junta tipo fole 116.

Na forma de realização de exemplo, as entradas das condições operacionais dinâmicas 114 incluem pelo menos os dados representativos da pressão operacional e da vibração do ambiente do subsistema de tubos 10 (mostrado nas figuras 1 e 2), e as entradas da geometria das juntas tipo fole 116 incluem os dados representativos do passo do fole 80 (mostrado na figura 2) e os diâmetros dos tubos que se encaixam na junta tipo fole 37 e 38 (mostrados na figura 2). Tais entradas 114 e 116 são, por exemplo, selecionadas por um operador. [014] É então determinado em 120 um multiplicador da rigidez para o subsistema de tubo 10 que está sendo analisado. Ao invés de modelar as juntas tipo fole envolvido 12 (mostradas nas figuras 1 e 2) como elementos de mola ou elásticos, incluindo uma constante elástica atribuída que é baseada em dados de teste de componente de rigidez estática, as juntas de fole envolvidas 12 são caracterizadas usando um elemento de geometria padrão o qual inclui um multiplicador de rigidez atribuído baseado em dados de teste de componentes de rigidez dinâmica. O multiplicador de rigidez é uma entrada de elemento finito que pode ser seletivamente ajustado para adaptar uma rigidez dinâmica de um elemento de junta de fole envolvida particular. O multiplicador de rigidez é determinado 120 através de uma equação de regressão que leva em conta os diâmetros 37 e 38 para o subsistema de tubos, a pressão operacional do sistema, o passo do fole 80, e entradas operacionais do sistema dinâmico. [015] A equação de regressão está baseada em dados de testes de rigidez dinâmica obtidos como resultados do teste de diversas configurações de juntas tipo fole envolvido diferentes. Cada configuração diferente de junta tipo fole envolvido pode ser analiticamente modelada para se determinar um único multiplicador de rigidez para aquela configuração de junta tipo fole envolvido e para gerar um modelo analítico do subsistema de tubo. A equação de regressão do multiplicador de rigidez pode ser usada para uma ampla faixa de tamanhos de subsistemas de tubos e de condições operacionais que refletem os dados de teste de rigidez dinâmica sobre os quais a modelagem está baseada. Dentro do modelo analítico do subsistema de tubos, o multiplicador de rigidez apropriado é uma entrada 124 par ao elemento de junta tipo fole envolvido de geometria padrão. [016] Na forma de realização de exemplo, as juntas tipo fole envolvido 12 são caracterizadas usando um elemento de geometria padrão o qual é um elemento tubular o qual inclui um multiplicador de rigidez o qual é um fator de flexibilidade aplicado. Os fatores de flexibilidade são determinados usando um esquema interativo que otimiza os fatores de flexibilidade através do casamento das respostas de frequência natural dos elementos tubulares em uma análise de elemento finito com as respostas de frequência natural dos testes de componentes vibratórios. Os fatores de flexibilidade atribuídos aos elementos tubulares padrão sofrem variações incrementais até que a resposta de frequência natural do elemento de junta tipo fole envolvido igualem a resposta de frequência natural dos componentes testados das juntas tipo fole envolvido. Por exemplo, em uma forma de realização, uma junta tipo fole envolvido de 3 polegadas (7,6 cm) de diâmetro centralizada em uma seção de tubo reto de tipo cantilever de 12 polegadas (30,5 cm) (não mostrado) dentro de um sistema pressurizado a aproximadamente 100 psia em um ambiente de vibração constante de aproximadamente 2g, produz uma resposta de frequência natural de 166 Hz. O componente de teste foi modelado usando a análise de elemento finito para determinar que atribuindo um fator de flexibilidade de aproximadamente 0,328, permite que o modelo analítico a gerar a mesma resposta de frequência natural que a pega de teste de componente sob aproximadamente as mesmas condições operacionais. [017] O modelo analítico do subsistema de tubo é então resolvido em 130 para determinar ou prever 132 a resposta de frequência natural do subsistema de tubo. Como resultado, devido às estimativas mais acuradas da resposta dinâmica das juntas tipo fole envolvido serem facilitadas, os subsistemas de tubo com junta tipo fole envolvido podem ser projetados de forma mais confiável. [018] Em uma forma de realização, o subsistema de tubo é o sistema de refrigeração de um motor de aeronave CF34-8 (não mostrado) disponibilizado pela General Electric Aircraft Engines, Cincinnati, Ohio, e é prevista 132 a resposta de frequência natural do subsistema de tubos do sistema de refrigeração do motor de aeronave CF34-8. Uma equação de regressão utiliza as entradas do ambiente vibratório 114, as pressões operacionais 114, os diâmetros 37 e 38 do sistema de tubos, e a informação do passo das juntas tipo fole envolvido 80 para determinar 120 os fatores de flexibilidade para os elementos de junta de fole 12 incluídos no sistema de dutos do motor de aeronave CF34-8. A equação de regressão determina 120 os fatores de flexibilidade a serem atribuídos aos elementos de junta tipo fole dos tubos. A resolução da análise de elemento finito fornece a resposta de frequência natural do sistema de dutos do motor de aeronave CF34-8 para um ambiente vibratório de motor específico. A resposta de frequência natural resultante facilita na determinação dos locais para os suportes dos dutos. [019] O supra descrito método de modelagem apresenta um custo efetivo e é acurado. O método de modelagem simula e prevê a rigidez das juntas tipo fole envolvido através do uso de uma equação de regressão. A equação de regressão, baseada nos dados de teste da rigidez dinâmica, de uma pluralidade de configurações de juntas tipo fole envolvido, permite que as juntas tipo fole envolvido sejam caracterizadas usando um elemento de geometria padrão o qual inclui um multiplicador de rigidez atribuído baseado em dados de teste de rigidez dinâmica. Como resultado, o método de modelagem permite a previsão das respostas de frequência natural em subsistemas de tubo que inclui componentes de juntas tipo fole envolvido com um custo efetivo e de forma confiável. [020] Apesar da presente invenção ter sido descrita em termos de várias formas de realização específicas, os conhecedores da arte irão reconhecer que a invenção pode ser praticada com modificações dentro do espírito e escopo das reivindicações.

Claims

1. MÉTODO IMPLEMENTADO POR COMPUTADOR PARA A PREVISÃO DE RESPOSTAS DE FREQUÊNCIA NATURAL (132), caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: fornecer, pelo menos, um subsistema de tubo (37) incluindo uma pluralidade de componentes de juntas tipo fole envolvido; determinar um multiplicador de rigidez dentro de cada um dos componentes de fole envolvidos utilizando uma técnica de regressão com base em dados de ensaio de rigidez dinâmica introduzir o multiplicador de rigidez determinado em um modelo de computador que aplica um elemento de geometria padrão e um fator de flexibilidade com base no multiplicador de rigidez para prever uma resposta de frequência natural; e determinar locais para suportes de duto com base na resposta de frequência natural.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ainda compreender a etapa de alimentar entradas (114) operacionais de sistema dinâmico no modelo.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de dita etapa de alimentar as entradas (114) operacionais do sistema dinâmico ainda compreende a etapa de alimentar pelo menos uma pressão operacional e um ambiente vibratório no modelo.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de ainda compreender a etapa de alimentar entradas de geometria incluindo pelo menos um entre o passo da junta tipo fole (80) e o diâmetro de casamento do tubo (37) no modelo.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de ainda compreender a etapa de determinar a rigidez de pelo menos um subsistema de tubo como uma função do multiplicador de rigidez.

6. DISPOSITIVO PARA DETERMINAR UMA RESPOSTA DE FREQUÊNCIA NATURAL (132) DE COMPONENTES DE JUNTAS DE FOLE ENVOLVIDO (12), dito dispositivo sendo caracterizado pelo fato de ser compreender um processador configurado para: determinar (120) um multiplicador da rigidez dentro dos componentes de juntas tipo fole envolvido (12) usando uma técnica de regressão baseada em dados de testes de rigidez dinâmica; usar o multiplicador rigidez determinado em um modelo que aplica um elemento geometria padrão e um fator de flexibilidade com base no multiplicador de rigidez para prever uma resposta de frequência natural dos foles; e determinar locais para suportes de duto com base na resposta de frequência natural.

7. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que dito modelo é configurado para utilizar entradas de geometria de juntas tipo fole envolvido e entradas de condições operacionais dinâmicas para determinar o multiplicador de rigidez (120).

8. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que as entradas de geometria das juntas tipo fole incluem pelo menos um entre um diâmetro do subsistema de tubo (37) e um passo da junta tipo fole (80),

9. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que as entradas de condições operacionais dinâmicas incluem pelo menos a pressão operacional.

10. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o multiplicador de rigidez e ajustável de tal forma que a rigidez dinâmica das juntas tipo fole envolvido (12) são seletivamente variáveis.