ES2384898T3 - Procedimiento de fabricación de un cárter de turbina de gas en material compuesto y cárter así obtenido - Google Patents

Procedimiento de fabricación de un cárter de turbina de gas en material compuesto y cárter así obtenido Download PDF

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Abstract

Procedimiento de fabricación de un carter (10) en material compuesto de espesor variable para una turbina de gas, que comprende la formación de un refuerzo de fibras por capas superpuestas de un tejido de fibras y la densificación del refuerzo de fibras por una matriz, caracterizado por que el tejido de fibras (30) esta realizado por tejido tridimensional con espesor evolutivo y es enrollado en varias capas superpuestas sobre un mandril (40) de perfil que corresponde al del carter a fabricar, con el fin de obtener un preforma de fibras (50) de espesor variable de una forma que corresponde a la del carter a fabricar.

Description

Procedimiento de fabricaci6n de un carter de turbina de gas en material compuesto y carter asi obtenido.
Anteeedentes de la inveneian
La invenci6n se refiere a los carteres de turbinas de gas y, mas particularmente, a los carteres de retenci6n para soplante de turbina de gas para motores aeronauticos.
En un motor aeronautico de turbina de gas, el carter de soplante cumple varias funciones. Define la vena de entrada de aire en el motor, soporta un material abrasible enfrente de los vertices de los alabes de la soplante, soporta una estructura eventual de absorci6n de ondas sonoras para el tratamiento acustico a la entrada del motor e incorpora o soporta un escudo de retenci6n. El escudo de retenci6n constituye una trampa de fragmentos que retiene los fragmentos, tales como objetos tragados o fragmentos de alabes danados, proyectados por centrifugaci6n, con el fin de evitar que estos atraviesen el carter y alcancen a otras partes de la aeronave.
De manera normal, un carter de retenci6n de soplante esta formado por una pared metalica relativamente delgada, que define la vena de entrada y que soporta el material abrasible y el tratamiento acustico eventual, y por una estructura de escudo fijada sobre esta pared del lado exterior, al nivel de la soplante. Una estructura de escudo de ese tipo puede estar formada por capas de tejido de fibras. Se podra hacer referencia, por ejemplo, a los documentos de patente de EE.UU. US 4 699 567, US 4 902 201 y US 5 437 538.
Se ha propuesto en el documento de patente europea EP 1 674 244 el realizar un carter de retenci6n de soplante de espesor constante en material compuesto de tipo fibras/resina mediante la realizaci6n de una preforma de fibras, impregnaci6n por una resina y moldeo para obtener directamente una forma deseada. La preforma es realizada por una forma de trenzado triaxial.
El documento de patente de EE.UU. US 2006/0093847 se refiere tambien a la realizaci6n de un carter de retenci6n de soplante pero en forma de sobreespesores por medio de capas de alma en nido de abeja metalicas intercaladas entre capas de material compuesto fibras/resina ensambladas a aquellas por ejemplo por pegado.
El documento de patente europea EP 1 674 671 propone tambien el realizar un carter de retenci6n para soplante en un material compuesto de espesor variable, siendo el espesor mas grande al nivel de la soplante. Capas de fibras de alma estan superpuestas formadas por trenzas alineadas circunferencialmente. Se anaden otras capas de fibras formadas por fibras trenzadas enrolladas en espiral. Las capas de fibras estan unidas por una resina termoendurecible. En caso de impacto, la energia cinetica es disipada por delaminaci6n, es decir descohesi6n entre las capas de fibras, fisuraci6n de la resina y ruptura de fibras en ultima instancia.
Se conoce, por otro lado, de los documentos de patente de EE.UU. US 2005/084 377 y US 2006/257 260 un procedimiento que permite realizar una preforma de fibras para un alabe de soplante en material compuesto, siendo obtenida la preforma de fibras por tejido tridimensional directamente y en una sola pieza al hacer variar el espesor, anchura y armadura durante el tejido.
Objeto y resumen de la inveneian
La invenci6n tiene como objetivo proponer un procedimiento de fabricaci6n de un carter de turbia de gas en material compuesto de espesor variable que tiene propiedades mejoradas tanto desde el punto de vista estructural como desde el punto de vista del comportamiento al impacto.
Este objetivo se alcanza gracias a un procedimiento que comprende la formaci6n de un refuerzo de fibras por capas superpuestas de un tejido de fibras y la densificaci6n del refuerzo de fibras por una matriz,
procedimiento en el cual el tejido de fibras es realizado por tejido tridimensional con espesor evolutivo y es enrollada en varias capas superpuestas sobre un mandril de un perfil que corresponde al del carter a fabricar con el fin de obtener una preforma de fibras de espesor variable de una forma que se corresponde con la del carter a fabricar.
El enrollamiento sobre un mandril de un tejido de espesor evolutivo permite disponer directamente de una preforma tubular que tiene el perfil deseado con espesor variable.
El enrollamiento de un tejido permite, ademas, disponer de hilos enrollados en direcci6n circunferencial que contribuyen a las propiedades estructurales deseadas del carter sin que sea necesario, como este parece ser el caso en el documento de patente europea EP 1 674 671 citada anteriormente, insertar hilos longitudinales en las trenzas.
Ademas, en el caso de un carter de retenci6n de soplante, se ha observado que la disipaci6n de energia en el impacto se produce esencialmente por microfisuraci6n de la matriz y no por delaminado, asi pues, sin variaci6n sustancial de la forma del carter.
Ventajosamente, el tejido es tejido con arrastre de urdimbre sobre un tambor que tiene un perfil determinado en funci6n del perfil del carter a fabricar. Se realiza asi un arrastre diferencial de hilos de urdimbre en funci6n de sus trayectos circunferenciales diferentes durante el enrollamiento para formar la preforma.
Un preforma en una sola pieza puede ser obtenida por enrollamiento de tejido tridimensional de espesor evolutivo, comprendido cuando la preforma presenta localmente fuertes variaciones de espesor. Asi, en el caso en el que el carter a fabricar comprende al menos una brida, la preforma puede, ventajosamente, ser realizada en una sola pieza con una parte de preforma que corresponde a la brida del carter. Una parte de preforma de brida puede, asi, estar integrada directamente en la preforma de carter, con hilos enrollados en direcci6n circunferencial en la preforma de brida que contribuyen a conferir las propiedades de comportamiento mecanico deseadas para la brida del carter.
Mas ventajosamente, el tejido de fibras es tejido con un espesor progresivamente creciente a partir de sus extremos longitudinales en las zonas adyacentes a sus extremos longitudinales.
El tejido de fibras puede ser formado por tejido tridimensional con armadura interlock.
La invenci6n apunta, tambien, a un carter de retenci6n de soplante de turbina de gas que tiene un espesor variable y que es de un material compuesto con un refuerzo de fibras densificado por una matriz, en el cual el refuerzo de fibras esta constituido por un tejido de espesor evolutivo formado por tejido tridimensional y enrollado en capas superpuestas.
La invenci6n apunta tambien a un motor aeronautico de turbina de gas que tiene un carter de retenci6n de soplante de ese tipo.
Breve deseripeian de los dibujos
La invenci6n se comprendera mejor con la lectura de la descripci6n hecha a continuaci6n, a titulo indicativo pero no limitativo, con referencia a los dibujos anexos, en los cuales:
�• la figura 1 es una vista muy esquematica de una turbina de gas de motor aeronautico;
�• la figura 2 es una vista en semisecci6n axial que muestra un perfil de carter de retenci6n para soplante de turbina de gas tal como el de la figura 1;
�• la figura 3 es una vista en semisecci6n axial que muestra un tambor de arrastre para el tejido tridimensional de un tejido de fibras destinado a la formaci6n de una preforma de fibras de carter tal como la de la figura 2;
�• las figuras 4 y 5 ilustran esquematicamente armaduras de tejido tridimensional de tipo interlock;
�• la figura 6 es una vista en secci6n de una capa de el tejido de fibras obtenido por tejido con arrastre por el tambor de la figura 3;
�• la figura 7 es una vista en semisecci6n axial en escala agrandada que muestra un mandril de enrollamiento del tejido de fibras de la figura 3 para formar la preforma de carter; y
�• la figura 8 es una vista en semisecci6n axial en escala agrandada de una preforma de carter obtenida por enrollamiento de tejido de fibras sobre el mandril de la figura 7.
Deseripeian detallada de modos de realizaeian de la inveneian
La invenci6n se describe a continuaci6n en el marco de su aplicaci6n a la fabricaci6n de un carter de soplante de motor aeronautico de turbina de gas.
Un motor de ese tipo, como el mostrado muy esquematicamente en la figura 1, comprende desde aguas arriba hasta aguas abajo en el sentido de circulaci6n del flujo gaseoso, una soplante 1 dispuesta a la entrada del motor, un compresor 2, una camara de combusti6n 3, una turbina de alta presi6n 4 y una turbina de baja presi6n 5. Las turbinas HP y BP estan acopladas respectivamente al compresor y a la soplante por arboles coaxiales respectivos.
El motor esta alojado en el interior de un carter que comprende varias partes que corresponden a diferentes elementos del motor. Asi, la soplante 1 esta rodeada por un carter de soplante 10.
La figura 2 muestra un perfil de carter de soplante 10 en material compuesto tal como el que puede ser obtenido por un procedimiento segun la invenci6n. La superficie interna 11 del carter define la vena de entrada de aire. Puede estar dotada de una capa de revestimiento abrasible 12 en linea recta de la trayectoria de los vertices de los alabes de la soplante, estando un alabe 13 mostrado parcialmente de forma muy esquematica. El revestimiento abrasible esta dispuesto pues sobre una parte solamente de la longitud (en direcci6n axial) del carter. Un revestimiento de tratamiento acustico (no representado) puede, ademas, estar dispuesto sobre la superficie interna 11 especialmente
aguas arriba del revestimiento abrasible 12.
El carter 10 puede estar dotado de bridas externas 14, 15 en sus extremos aguas arriba y aguas abajo con el fin de permitir su montaje y su conexi6n con otros elementos. Entre sus extremos aguas arriba y aguas abajo, el carter 10 presenta un espesor variable, una parte sensiblemente central 16 del carter que tiene un espesor mas fuerte que las partes de extremo que se van conectando progresivamente a aquella.
La parte 16 se extiende a una y otra parte del emplazamiento de la soplante, hacia aguas arriba y aguas abajo, con el fin de formar un carter de retenci6n capaz de retener los fragmentos, particulas u objetos ingeridos en la entrada del motor, o que provienen del dano de los alabes de la soplante y proyectados radialmente por el giro de la soplante, para evitar que atraviesen el carter y danen otras partes de la aeronave.
El carter 10 esta realizado en material compuesto de refuerzo de fibras densificado por una matriz. El refuerzo es en fibras, por ejemplo de carbono, vidrio, aramida o ceramica y la matriz es en polimero, por ejemplo ep6xido, bismalemida o poliimida.
Segun una particularidad de la invenci6n, el refuerzo de fibras esta formado por enrollado sobre un mandril de un tejido de fibras realizado por tejido tridimensional con espesor evolutivo, teniendo el mandril un perfil que se corresponde con el del carter a realizar. Ventajosamente, el refuerzo de fibras constituye una preforma de fibras tubular completa del carter 10 que forma una sola pieza con las partes de refuerzo que corresponden a las bridas 14,15.
El tejido tridimensional esta realizado con arrastre de los hilos de urdimbre sobre un tambor cuyo perfil es escogido en funci6n del perfil del carter a realizar. No es necesario escoger un tambor que tenga, como el mandril de enrollamiento, un perfil que reproduzca el de la superficie interna del carter a realizar. En efecto, por deseo de comodidad, se podra utilizar un tambor de arrastre, durante el tejido, que tenga un diametro medio mucho mas pequeno que el de la superficie interna del carter a realizar. El perfil del tambor de arrastre es entonces escogido para que el tejido obtenido tome facilmente la forma deseada durante su enrollamiento ulterior sobre el mandril de conformado. De esta manera, igualmente, como se describe mas adelante, se puede tambien formar mas facilmente las partes de borde del tejido destinadas a constituir las partes de preforma que corresponden a las bridas.
La figuras 3 muestra un ejemplo de tambor de arrastre 20 utilizable para el tejido de un tejido de fibras que permita, por enrollamiento sobre un mandril, obtener una preforma de fibras completa para el carter 10 de la figura 2. La parte central 21 del tambor 20 se conecta progresivamente con las partes laterales 23, 25 que tienen un diametro inferior al de la parte central 21, las partes laterales 23, 25 se conectan a las partes de extremo respectivas 27, 29 cuyo diametro crece de manera sensible en direcci6n a los extremos axiales del tambor 20.
El tejido tridimensional del tejido de fibras puede ser realizado con una armadura de tipo interlock con varias capas de hilos de urdimbre y de hilos de trama. Se confiere al tejido tridimensional un espesor variable, o evolutivo, que permita obtener por enrollamiento ulterior una preforma de espesor variable que se corresponde con la del carter a fabricar. Los hilos de urdimbre son arrastrados por el tambor 20, siendo enrollado el tejido de fibras sobre el tambor a medida de su tejido.
Las figuras 4 y 5 muestran ejemplos de armaduras interlock para dos partes de espesores diferentes del tejido de fibras, respectivamente una parte central, mas gruesa, y partes laterales menos gruesas. En las figuras 4 y 5, los hilos de trama estan en secci6n. Un tejido tridimensional con armadura interlock es un tejido en el cual cada hilo de urdimbre une entre ellas varias capas de hilos de trama, siendo identicos los trayectos de los hilos de urdimbre. Un aumento/disminuci6n progresiva del espesor se obtiene por anadido/retirada de una o varias capas de hilos de urdimbre y de trama.
Otros modos de tejido tridimensional son imaginables tal como por ejemplo tejidos multicapa con armaduras multisaten o multitela. Armaduras de este tipo estan descritas en el documento de patente PCT/FR/2006/050617.
La figura 6 muestra esquematicamente en secci6n una capa del tejido de fibras 30 tal como la obtenida sobre el tambor 20 por tejido tridimensional. El tejido 30 comprende una parte central 31 de espesor mas grueso que las partes laterales adyacentes 33, 35, las cuales se terminan por las partes de extremo 37, 39 que se elevan hacia el exterior.
Para obtener la preforma de fibras de carter deseada, el tejido de fibras 30 es enrollado en capas o espiras superpuestas sobre un mandril tal como el mandril 40 de la figura 7.
El mandril 40 presenta una superficie exterior 42 cuyo perfil corresponde al de la superficie interna del carter a realizar y dos rebordes laterales 44, 45.
Por su enrollamiento sobre el mandril 40, el tejido 30 se amolda al perfil de aquel y las partes de extremo 37, 39 se levantan, apoyandose sobre los rebordes 44, 45 para formar las partes de preformas que corresponden a las bridas 14, 15 del carter (figura 7). Se obtienen asi partes de preformas 37, 39 que se extienden radialmente sin transici6n brusca al nivel de los bordes del tejido de fibras tal como se ha tejido, lo que habria planteado problemas de
realizaci6n durante el tejido tridimensional.
La figura 8 muestra una vista en secci6n de la preforma de fibras 50 obtenida despues del enrollamiento del tejido de fibras 30 en varias capas sobre el mandril 40. El numero de capas o espiras es funci6n del espesor deseado y del espesor del tejido de fibras; preferentemente, es la menos igual a 2. En las partes terminales adyacentes a sus extremos longitudinales, se puede conferir al tejido de fibras un espesor progresivamente creciente a partir de los extremos longitudinales y la longitud del tejido de fibras puede entonces ser escogida de manera que las partes terminales se encuentren diametralmente opuestas, de suerte que puede evitarse un sobreespesor notable al nivel de los extremos del tejido enrollado.
Se obtiene una preforma de fibras 50 con una parte central 56 de espesor mas grueso, que corresponde a la parte 16 del carter y partes de extremo 54, 55 que corresponden a las bridas 14, 15.
Mientras es mantenida la preforma 50 sobre el mandril 40, se realiza una impregnaci6n por una resina. A este efecto, se aplica sobre la preforma una envoltura flexible o vejiga. La impregnaci6n puede ser ayudada por el establecimiento de una diferencia de presi6n entre el volumen delimitado por el mandril, y la vejiga en la cual se encuentra la preforma, y el exterior. Despues de la impregnaci6n, se realiza una etapa de polimerizaci6n de la resina.
Se obtiene entonces directamente una pieza en bruto que permite obtener el carter deseado despues de un mecanizado de terminaci6n.
Los hilos de urdimbre del tejido de fibras son enrollados en direcci6n circunferencial y contribuyen a dar resistencia mecanica deseada al carter, comprendido al nivel de las bridas en donde los hilos de urdimbre estan presentes.
La continuidad circunferencial del tejido de fibras permite conferir una buena resistencia al impacto sin delaminado o practicamente sin delaminado (separaci6n entre capas superpuestas), produciendose el dano por impacto por microfisuraci6n de la matriz. Asi, la geometria del carter se conserva.
Se ha comparado el comportamiento al impacto de un material compuesto de carter de soplante de acuerdo con la invenci6n con el de una aleaci6n de aluminio "6061" utilizada en servicio actualmente para los carteres de soplante de motores del tipo "CFM567" de la sociedad CFM International. El material compuesto estaba constituido por un refuerzo de fibras formado por capas superpuestas de un tejido tridimensional con armadura interlock en fibras de carbono y por una matriz ep6xi.
A masa superficial igual, la energia de perforaci6n medida sobre las placas de los dos materiales ha sido de 3.000 J para el material compuesto, en comparaci6n con 1.500 J para la aleaci6n de aluminio.
En lo que precede, se ha examinado una realizaci6n de la preforma del carter en una sola pieza con partes de preformas que corresponden a las bridas eventuales del carter. Como variante, la o cada una de las partes de preforma que corresponde a una brida podra ser realizada separadamente, por ejemplo por sobrebobinado de una banda de tejido de fibras en un extremo de la preforma. La banda de tejido de fibras puede ser de un tejido bidimensional o tridimensional. La uni6n entre la banda de tejido de fibras bobinada puede ser realizada por costura
o por implantaci6n de elementos rigidos, por ejemplo, de carbono.
Por otro lado, de manera conocida de por si, el carter podra estar dotado de tensores fijados sobre la superficie externa.
El procedimiento descrito arriba es particularmente conveniente para la realizaci6n de carteres de soplante de motor de avi6n de turbina de gas. No obstante, podra utilizarse tambien para otros carteres o elementos de carteres de turbina de gas, principalmente de motores aeronauticos de turbina de gas, tales como carteres de toberas o de mezcladores.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1.Procedimiento de fabricaci6n de un carter (10) en material compuesto de espesor variable para una turbina de gas, que comprende la formaci6n de un refuerzo de fibras por capas superpuestas de un tejido de fibras y la densificaci6n del refuerzo de fibras por una matriz,
    5 caracterizado por que el tejido de fibras (30) esta realizado por tejido tridimensional con espesor evolutivo y es enrollado en varias capas superpuestas sobre un mandril (40) de perfil que corresponde al del carter a fabricar, con el fin de obtener un preforma de fibras (50) de espesor variable de una forma que corresponde a la del carter a fabricar.
  2. 2.Procedimiento segun la reivindicaci6n 1, caracterizado por que el tejido de fibras (30) es tejido con appel en 10 urdimbre sobre un tambor (20) que tiene un perfil determinado en funci6n del perfil del carter a fabricar.
  3. 3.Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2 para la fabricaci6n de un carter (10) que comprende al menos una brida de fijaci6n o de uni6n (14, 15), caracterizado por que la preforma es realizada en una sola pieza con una parte de preforma (54, 55) que corresponde a la brida del carter.
  4. 4.Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el tejido de fibras (30)
    15 es tejido con un espesor progresivamente creciente a partir de sus extremos longitudinales en zonas adyacentes a sus extremos longitudinales.
  5. 5.Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la preforma es formada por tejido tridimensional con armadura interlock.
  6. 6.Carter de retenci6n de soplante de turbina de gas que tiene un espesor variable y que es de un material 20 compuesto con un refuerzo de fibras densificado por una matriz,
    caracterizado por que el refuerzo de fibras (50) comprende una textura de espesor evolutivo formado por tejido tridimensional y enrollado en capas superpuestas.
  7. 7.Carter segun la reivindicaci6n 6, que comprende al menos una brida (14, 15), caracterizado por que el refuerzo de fibras (50) es de una sola pieza con una parte de refuerzo de brida (54. 55).
    25 8.Motor aeronautico de turbina de gas que tiene un carter de retenci6n de soplante segun una cualquiera de las reivindicaciones 6 y 7:
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