BRPI0917586B1

BRPI0917586B1 - dispositivo de amortecimento vibratório para uma lâmina de turbomáquina, turbomáquina, motor de turbina a gás e motor com hélices rápidas

Info

Publication number: BRPI0917586B1
Application number: BRPI0917586A
Authority: BR
Inventors: Jacques Philippe Fabre Adrien
Original assignee: Snecma
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2020-02-04
Also published as: FR2934873B1; WO2010015660A1; ATE550520T1; BRPI0917586A2; CA2732032A1; FR2934873A1; CN102112702B; RU2503825C2; JP5430657B2; RU2011108552A; JP2011530038A; EP2324205B1; US20110206530A1; CN102112702A; ES2382985T3; US8801385B2; EP2324205A1; CA2732032C

Abstract

dispositivo de amortecimento vibratório para uma lâmina de turbomáquina, turbomáquina, motor de turbina a gás e motor com hélices rápidas a presente invenção refere-se a um dispositivo de amortecimento vibratório para uma lâmina de turbomáquina munida com um pé de pá (6) apto a inserir-se em um alvéolo (2) de um disco (1) portador de uma roda com lâminas, o referido dispositivo sendo apto a estar posicionado entre o referido pé de pá e uma parede de retenção (14a, 14b) do referido alvéolo. o referido dispositivo compreende pelo menos um calço (7) constituído por um conjunto de camadas de materiais rígidos (8, 10) e de materiais viscoelásticos (9), e comportando duas partes, cada uma formando um ramo lateral (7a, 7b) apto a ser inserido ao longo de uma das duas paredes de retenção (14a, 14b), os dois ramos laterais sendo ligados um ao outro, de forma a constituir uma peça única, por uma terceira parte formando um fundo de calço (7c) de material rígido. ela é caracterizada pelo fato de que pelo menos uma camada (9) de material viscoelástico é posicionada entre duas camadas de materiais rígidos (8,10).

Description

“DISPOSITIVO DE AMORTECIMENTO VIBRATÓRIO PARA UMA LÂMINA DE TURBOMÁQUINA, TURBOMÁQUINA, MOTOR DE TURBINA A GÁS E MOTOR COM HÉLICES RÁPIDAS” [0001] A presente invenção refere-se ao domínio das turbomáquinas e, em particular, ao dos motores de turbina a gás, como os turborreatores, os turbopropulsores ou os motores com hélices rápidas (conhecidos também sob o nome “propfans). Ela visa um dispositivo de amortecedor das vibrações para os fixadores das lâminas destes motores.

[0002] As turbomáquinas aeronáuticas são compostas de uma pluralidade de rodas com lâminas, ou seja, discos giratórios na periferia dos quais são fixadas as lâminas móveis. Estas rodas com lâminas são peças particularmente sensíveis porque devem responder em termos de dimensionamento aos imperativos de comportamento mecânico em rotação e à carga aerodinâmica. O conjunto destes aspectos faz que estas estruturas sejam carregadas estaticamente e que, levando em conta os imperativos de duração de vida útil, as amplitudes de vibrações que elas sofrem devem permanecer baixas.

[0003] O projeto e o desenvolvimento de uma turbomáquina implicando a coordenação de várias disciplinas, o processo de dimensionamento é iterativo. O dimensionamento vibratório é efetuado a fim de evitar a presença de modos críticos na faixa de funcionamento. O conjunto é validado no fim do ciclo de projeto por um teste motor sobre o qual as amplitudes vibratórias são medidas. Notam-se, às vezes, fortes níveis induzidos quer por respostas forçadas, sincrônicas ou assincrônicas, quer por instabilidades. O projeto deve ser então re-examinado, o que é particularmente longo e dispendioso.

[0004] O objetivo no plano industrial é, portanto, prever o mais rápido possível, no ciclo de dimensionamento, os níveis de resposta vibratória das estruturas a fim de tomar as medidas corretivas que se impõem mais a montante possível no projeto. Entre estes eixos, o amortecimento mecânico é um desafio importante para os projetistas.

[0005] O amortecimento das pás dos compressores é um problema específico

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2/9 que convem tratar com cuidado, estas sendo particularmente sensíveis aos fenômenos vibratórios, e isto tanto mais que o seu comprimento é grande. Este problema é, portanto, particularmente agudo com as pás do primeiro estágio do compressor baixa pressão, quer este seja um estágio de turbopropulsor cuja roda com lâminas não é carenada, um estágio de turborreator de duplo fluxo cuja roda ou “soprador” é carenado, ou ainda uma roda não carenada de um motor de hélice rápido.

[0006] É, além disso, particularmente delicado no caso os motores com hélices rápidos porque, por um lado, estas são mais de duas vezes planares que as pás atuais de um soprador, portanto mais sensíveis aos fenômenos de flutuação e, por outro lado, o fato de ter duas filas de hélices contra-rotativas produz, devido ao efeito de esteira da primeira hélice sobre a segunda, solicitações em excitação forçada elevadas. Pode-se encontrar igualmente um acoplamento entre modos de vibrações das duas filas de hélices contra-rotativas através da estrutura que as suporta e que pode ser destrutiva para o motor. Além disso, as hélices rápidas, ao contrário das hélices carenadas, são sensíveis às despesas ditas IP que se criam quando da colocação em incidência do motor, notadamente quando da colocação em rotação do avião na decolagem. Quando destas fases a pá de uma hélice rápida não nota a mesma incidência do fluxo de ar ao longo de sua posição angular e, portanto, é submetida a uma excitação específica, sincrônica com o regime do motor.

[0007] A fixação das pás sobre o disco do compressor é assegurada classicamente por conjuntos do tipo fixador pinados, ou seja, por alvéolos abertos nos quais são deslizados os bulbos constituindo os pés das pás. Estes alvéolos são recortados no disco e apresentam paredes de retenção sobre as quais se apóiam as faces correspondentes do pé da pá.

[0008] Dispositivos de redução das vibrações das pás foram imaginados como, por exemplo, o descrito na patente US6102664 da NASA, que consiste em colar um material viscoelástico sobre as faces do pé de pá que estão em contato com as paredes de retenção dos alvéolos do disco. Esta técnica tem por inconveniente necessitar uma modificação do processo de fabricação das pás de sopradores ou de

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3/9 hélices rápidas e de não ser adaptada a uma montagem em captura sobre as pás existentes. Ela comporta também o inconveniente de precisar alterar a pá inteiramente em caso de deterioração do dispositivo amortecedor, ao contrário de uma configuração ou o dispositivo amortecedor é distinto da pá como proposto aqui. [0009] Outra técnica da arte anterior consiste em introduzir um calço entre a superfície do alvéolo e a do bulbo de pé de pá. Tal cunha, descrita na patente US 5240375 da empresa Geral Electric Company, apresenta-se sob a forma de várias camadas metálicas montadas em sanduíche, com uma camada de aço austenítico encerrada entre duas camadas de bronze fosforoso com baixo coeficiente de atrito. Ela visa, contudo, evitar o desgaste das peças em contato e não tem um impacto notável sobre a resistência das pás às solicitações vibratórias.

[0010] No pedido de patente EP 2014873 da requerente, é descrito um calço com camadas rígidas que alternam com camadas de material elástico.

[0011] A presente invenção tem por objeto a melhora do amortecimento vibratório das lâminas de motores de aviões que são mantidas sobre o seu disco por meio de fixadores pinados.

[0012] Para esse efeito a invenção tem por objeto um dispositivo de amortecimento vibratório para uma lâmina de turbomáquina munida de uma pá e um pé de pá apto a inserir-se em um alvéolo de um disco portador de uma roda com lâminas, o referido dispositivo sendo apto a ser posicionada entre o referido pé de pá e uma parede de retenção do referido alvéolo, no nível do contacto realizado em funcionamento entre o pé de pá e o alvéolo, o referido dispositivo compreendendo pelo menos um calço constituído por um conjunto de camadas de materiais rígidos e de materiais viscoelásticos, pelo menos uma camada de material viscoelástico sendo posicionada entre duas camadas de materiais rígidos, o calço comportando duas partes, cada uma formando um ramo lateral apto a ser inserido ao longo de uma das duas paredes de retenção, os dois ramos laterais sendo ligados um ao outro, de forma a constituir uma peça única, por uma terceira parte formando fundo de calço de material rígido, caracterizado pelo fato de que o referido fundo de calço é posicionado, relativamente aos ramos laterais, de forma a encontrar-se após

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4/9 montagem em extremidade a montante ou a jusante do pé de pá.

[0013] A introdução de um calço estratificado compreendendo pelo menos uma camada de material viscoelástico e duas camadas de materiais rígidos, permite, pela dissipação de energia que ele gera, aumentar o amortecimento das vibrações das pás. Isto permite deslocar os modos de vibração das pás para as mais baixas frequências e assim retornar as mesmas abaixo do regime de marcha lenta do motor. O posicionamento da parte formando fundo de calço, à montante ou à jusante do pé de pá permite garantir que os ramos laterais posicionem-se de maneira ótima ao contato das paredes de retenção, sem uma interferência que poderia ser criada por um contacto entre o fundo de calço e o fundo do alvéolo ou então o pé de pá. Assegura-se-se assim de que os deslocamentos relativos das camadas constituindo as paredes laterais não serão perturbados e que assim estas paredes assegurarão plenamente sua função de amortecimento.

[0014] De acordo com modos de realização preferenciais:

- o calço é constituído pela montagem de um número ímpar de camadas superior a 3, as camadas de materiais viscoelásticos se sucedendo alternativamente às camadas de materiais rígidos e as camadas externas sendo realizadas de materiais rígidos.

- as características do material viscoelástico variam de uma camada à outra.,

- as características do material rígido variam de uma camada à outra,

- o fundo do calço forma uma única peça com uma das camadas de materiais rígidos dos ramos laterais,

- o calço é obtido a partir de uma peça plana constituída de três segmentos consecutivos, separados um do outro por linhas de dobra, o segmento formando fundo de calço sendo posicionado entre os dois segmentos formando os ramos laterais.

[0015] A invenção tem igualmente por objeto uma turbomáquina que compreende pelo menos um disco portador de uma roda com lâminas, cujas lâminas são inseridas nos alvéolos do disco mediando a introdução de um dispositivo de

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5/9 amortecimento vibratório descrito acima.

[0016] De acordo com modos preferenciais:

- o disco do estágio de soprador de um motor a turbina a de gás dotado de um soprador é equipado de um dispositivo de amortecimento vibratório descrito acima.

- o disco de pelo menos um dos estágios portadores de hélices não carenadas de um motor com hélices rápidas é equipado de um dispositivo de amortecimento vibratório descrito acima.

[0017] Outras características e vantagens aparecerão da descrição que segue de diversos modos de realização da invenção, em referência aos desenhos anexos. [0018] Nestes desenhos,

- a figura 1 é uma vista em corte de um disco de compressor que utiliza a tecnologia dos fixadores pinados,

- a figura 2 é uma vista em perspectiva de um alvéolo no caso de uma pá de hélice com passo variável,

- a figura 3 é uma vista em corte do dispositivo de manutenção de uma lâmina por um alvéolo de um disco, de acordo com a arte anterior,

- a figura 4 é uma vista em corte dos materiais constitutivos de um calço de acordo com um modo de realização da invenção, submetido a uma tensão de compressão,

- figura 5 é uma vista em corte dos materiais constitutivos de um calço de acordo com um modo realização da invenção, submetidos a uma tensão de cisalhamento,

- a figura 6 é uma vista em plano de um calço de acordo com um modo de realização da invenção, antes da sua conformação por dobra,

- as figuras 7 e 8 são respectivamente uma vista de face e uma vista em corte de partes de um calço de acordo com um modo de realização da invenção, após a sua conformação por dobra,

- a figura 9 é uma vista em corte do dispositivo de manutenção de uma lâmina pelo alvéolo de um disco, com um calço de acordo com um modo de

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6/9 realização da invenção interposto entre o alvéolo e o pé da pá, e

- figura 10 é uma vista em corte de uma pá e de seu pé em posição no alvéolo de um disco, com um calço de acordo com um modo de realização da invenção, mostrando a transmissão dos esforços e o sentido dos deslocamentos associados.

[0019] Com referência à figura 1, nota-se um disco de compressor 1 para uma turbomáquina, cuja periferia é recortada por alvéolos 2 divididos regularmente sobre toda a circunferência. A figura 2 mostra um fixador pinado para um motor com passo variável; o alvéolo 2 é recortado em uma peça cilíndrica 3 que termina em sua extremidade inferior por um pivô 4 sustentado pelo disco 1 e montado livre em rotação. O alvéolo 2 é aberto radialmente para o exterior para deixar passar a pá e apresenta duas paredes 14 de retenção destinadas a reter a pá quando o motor está em funcionamento. A figura 3 mostra o pé 6 de uma pá 5, na forma de bulbo ou de rabo de andorinha, que é inserido em um alvéolo 2 de um segmento do disco 1.

[0020] Com referência agora à figura 4, nota-se um material estratificado destinado a constituir um calço 7 apto a ser inserido entre o pé 6 de uma pá 5 de compressor e as paredes de retenção 14a e 14b do alvéolo 2 do disco 1 correspondente. No exemplo representado, o material estratificado é composto de três camadas empilhadas, fixadas umas sobre as outras, que são realizadas, para as duas camadas externas 8 e 10 de materiais rígidos, como por exemplo materiais metálicos, e para a camada intermediária 9 em um material viscoelástico.

[0021] A viscoelasticidade é a propriedade de um sólido ou de um líquido que, quando ele é deformado, mostra um comportamento ao mesmo tempo viscoso e elástico por uma dissipação e um armazenamento simultâneos de energia mecânica.

[0022] As características, isotrópicas ou anisotrópicas, de elasticidade do material rígido são escolhidas superiores às, isotrópicas ou anisotrópicas, do material viscoelástico na faixa de funcionamento térmico e frequencial desejada do motor. A título de exemplo não limitativo, o material da camada rígida pode ser de tipo metálico ou compósito, e o material da camada viscoelástica de tipo elastômero,

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7/9 borracha, silicone, polímero, vidro ou resina epóxi.

[0023] O número de três camadas é meramente indicativo, este número podendo ser superior, desde que haja uma sucessão de camadas rígidas e de camadas viscoelásticas e que as camadas externas sejam de materiais rígidos. O número de camadas é definido em função, por um lado do espaço disponível e, por outro lado, da rigidez e da viscosidade que convém dar ao calço 7 para atingir o amortecimento procurado. De acordo com as aplicações, as camadas de materiais viscoelásticos e as camadas de materiais rígidos podem ser de dimensões iguais ou de dimensões diferentes. Quando o calço comporta várias camadas de materiais viscoelásticos estas podem apresentar, todas, as mesmas características mecânicas ou apresentar características diferentes. Do mesmo modo, as camadas de materiais rígidos podem apresentar, todas, as mesmas características mecânicas ou apresentar características diferentes.

[0024] Na figura 4, o material estratificado é submetido a uma tensão de compressão, pelo qual não ocorre uma deformação notável. Em contrapartida, na figura 5, o material estratificado é submetido a uma tensão de cisalhamento e notase um deslocamento lateral, a camada 9 de material viscoelástico se deformando para autorizar este deslocamento. A deformação associada permite dissipar uma parte da energia transmitida pelo movimento da pá 5 e assim alterar os modos vibratórias da mesma.

[0025] Na figura 6, nota-se uma das camadas externas de um calço de acordo com a invenção, antes da sua conformação, que é constituída por uma fita formada de três segmentos lineares consecutivos, separados uns dos outros por duas linhas de dobra 11 e 12. As figuras 7 e 8 mostram respectivamente uma vista de face e uma vista de cima, em corte ao longo da direção VIII, de um calço de acordo com a invenção após a sua dobra ao longo das linhas de dobra 11 e 12. No modo de realização representado, só os dois segmentos externos 7a e 7b do calço apresentam uma estrutura estratificada, o terceiro segmento 7c, situado entre as duas linhas de dobra 11 e 12, sendo realizado em uma camada simples de material rígido, sem estratificação. Por razões de simplificação da realização, o terceiro

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8/9 segmento 7c é realizado na continuidade da camada externa 10 que é destinada a ser colocada no interior da dobra. Em outro modo de realização, o terceiro segmento 7c pode ser realizado na continuidade da camada externa 8 que é destinada a ser colocada no exterior da dobra, ou na continuidade de uma das camadas intermediárias de material rígido se o dispositivo comportar.

[0026] Nesta configuração, o calço tem, visto de cima, uma forma sensivelmente em U, os dois ramos laterais 7a e 7b do U sendo, contudo, inclinados em relação ao plano de simetria do U, por sequência de uma rotação em torno de uma direita paralela a este plano. A base do U, formando o fundo de calço 7c, é perpendicular a este plano e tem por objeto ligar os dois ramos laterais do calço 7. Ela é destinada a posicionar-se contra a pá 5, na extremidade a montante ou a jusante de seu pé 6, em referência ao sentido de circulação do fluxo de ar no motor.

[0027] Na figura 9, notam-se duas partes de um calço 7, em posição em um alvéolo 2 de um disco de compressor 1. Os dois ramos 7a e 7b são interpostos entre as paredes superiores 13a e 13b do pé 6 da pá 5 e as paredes de retenção 14a e 14b do alvéolo 2. Devido à forma plana das camadas de material viscoelástico e pelo fato de que elas são mantidas entre camadas planas de material rígido, estas se deformam pouco sob o efeito da compressão devido à transmissão dos esforços centrífugos da pá às paredes de retenção 14a e 14b. Em contrapartida, elas conservam as suas aptidões à deformação no plano das camadas.

[0028] Quando da colocação em rotação das pás, o calço 7 é, por um lado, comprimido, devido ao esforço centrífugo exercido sobre o pé de pá 6 pela rotação do compressor, e, por outro lado, submetido a um cisalhamento que é função do ângulo que fazem as paredes de retenção 14a e 14b com a direção radial passando pelo centro do alvéolo 2. Sob esta tensão de cisalhamento, a camada viscoelástica 9 deforma-se e as camadas rígidas 10 dos dois ramos 7a e 7b que estão situados ao contato do pé de pá 6, deslocam-se radialmente para o exterior. Uma vez que o regime do motor atinge um valor constante, e na ausência de solicitação vibratória, o calço 7 permanece estacionário, nesta posição deformada.

[0029] A figura 10 mostra os esforços sofridos pelo calço 7 quando de uma

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9/9 vibração em flexão da pá 5, ou seja, quando de um deslocamento desta ao longo do eixo de rotação do motor. O pé 6 da pá 5 é acionado em um movimento de rotação em torno de um eixo colinear com o eixo central do alvéolo 2 e esforços de cisalhamento complementares são gerados sobre os ramos laterais 7a e 7b do calço

7. No caso do sentido de deslocamento da pá 5 representada na figura 10, o ramo direito 7b vê seu cisalhamento aumentar enquanto que o do ramo esquerdo 7 vê o mesmo diminuir. Depois, a vibração em flexão tende a fazer retornar a pá 5 no sentido inverso; o ramo 7b vê então seu cisalhamento diminuir e o ramo vê o mesmo aumentar. O deslocamento alternativo que esta flexão induz sobre o material viscoelástico provoca uma dissipação da energia de vibração e gera o amortecimento procurado.

[0030] Nota-se que o posicionamento do fundo de calço 7c evita que este interfira com os deslocamentos dos ramos laterais 7a e 7b e que tensões parasitas aparecem nestes ramos se o fundo de calço viesse a entrar em contato com quer o pé 6 da lâmina ou o fundo do alvéolo 2.

[0031] Apesar da invenção ter sido descrita em relação a um modo de realização particular, é bem evidente que ela compreende todos os equivalentes técnicos dos meios descritos bem como as suas combinações se estas se encontram no quadro da invenção.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo de amortecimento vibratório para uma lâmina de turbomáquina munida de uma pá (5) e de um pé de pá (6) apto a inserir-se em um alvéolo (2) de um disco (1) portador de uma roda com lâminas, o referido dispositivo sendo apto a ser posicionado entre o referido pé de pá e uma parede do referido alvéolo de retenção do referido pé (14a, 14b) no nível do contato realizado em funcionamento entre o pé de pá (6) e o alvéolo (2), o referido dispositivo compreendendo pelo menos um calço (7) constituído por um conjunto de camadas de materiais rígidos (8, 10) e de materiais viscoelásticos (9), pelo menos uma camada (9) de material viscoelástico estando posicionada entre duas camadas de materiais rígidos (8, 10), o calço (7) comportando duas partes, cada uma formando um ramo lateral (7a, 7b) apto a ser inserido ao longo de uma das duas paredes de retenção (14a, 14b), os dois ramos laterais sendo ligados um ao outro, de forma a constituir uma peça única, uma terceira parte formando fundo de calço (7c) de material rígido, caracterizado pelo fato de que o referido fundo de calço é posicionado, relativamente aos ramos laterais (7a, 7b), de forma a encontrar-se após montagem em extremidade a montante ou a jusante do pé de pá (6).
2. Dispositivo de amortecimento vibratório de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o calço (7) é constituído pelo conjunto de um número ímpar de camadas superior a 3, as camadas (9) de materiais viscoelásticos se sucedendo alternativamente às camadas de materiais rígidos e em que as camadas externas (8, 10) são realizadas de materiais rígidos.
3. Dispositivo de amortecimento vibratório de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que as características do material viscoelástico variam de uma camada à outra.
4. Dispositivo de amortecimento vibratório de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as características do material rígido variam de uma camada à outra.
5. Dispositivo de amortecimento vibratório de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o fundo (7c) do calço

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2/2 forma uma única peça com uma das camadas de materiais rígidos (8, 10) dos ramos laterais (7a, 7b).
6. Dispositivo de amortecimento vibratório de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o calço (7) é obtido a partir de uma peça plana constituída de três segmentos consecutivos, separados um do outro por linhas de dobra (11, 12), o segmento formando fundo de calço (7c) estando posicionado entre os dois segmentos formando os ramos laterais (7a, 7b).
7. Turbomáquina, caracterizada pelo fato de compreender pelo menos um disco (1) portador de uma roda com lâminas, cujos pés (6) das pás são inseridos nos alvéolos (2) do disco (1) mediando a introdução de um dispositivo de amortecimento vibratório como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.
8. Motor de turbina a gás, caracterizado pelo fato de ser dotado de um soprador cujo disco (1) do estágio de soprador é equipado com um dispositivo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.
9. Motor com hélices rápidas, caracterizado pelo fato de que o disco (1) de pelo menos um dos estágios portadores de hélices não carenadas é equipado com um dispositivo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.