PT91839B - Roda de turbina de grande velocidade de material composito - Google Patents
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Description
O presente invento diz respeito a uma roda de turbina de grande velocidade que compreende uma parte central, ou jante, e pás periféricas. A roda é constituída por uma só peça de material compósito reforçado por material fibroso densificado por uma matriz. Este reforço é formado por meio de um tecido he licoidal (2O) com fibras orientadas radialmente e fibras orientadas circunferencialmente, variando a proporção de fibras na direcção radial e a proporção de fibras na direcção circunferencial ao longo de um raio da roda em função da variação das restrições radiais e das restrições circunferenciais respectivamen te e que se exercem sobre a roda durante a sua utilização. Pelo menos uma parte das fibras na direcção circunferencial na jante são de um material de grande resistência mecânica, ao passo que pelo menos uma par te das fibras na direcção circunferencial nas pás e das fibras na direcção radial são de um material de grande resistência às altas temperaturas e às agres— —sões químicas.
Figura 2.
~ A
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Descrição do objecto do invento que
SOCIÉTÉ EUROPEENNE DE PROPULSION, Societé Anonyme, francesa, industrial, com sede em 24, Rue Salomon de Rothschild, 9215θ Suresnes, França, pretende obter em Portugal para:RODA DE TURBINA DE GRANDE VE LOCIDADE DE MATERIAL COMPÓSITO.
Mod. 71-10000 ex. 89/07 presente invento diz respeito a uma roda de turbina de material compósito prevista para uma utilização a grande velocidade, designadamente para um motor aeronáutico. A expressão utilização a gran de velocidade significa na presente uma velocidade linear periférica superior a 500 m/s.
Foi já proposto, designadamente no documento FR-A-2 476 766, constituir—se numa só peça uma roda de turbina de material composito que compreende uma parte central, ou jante, com pás na periferia. 0 material compósito é constituído por um reforço fibro so densificado por uma matriz, sendo a orientação das fibras determinada em função das restrições que se exercem na roda durante a sua utilização.
objectivo do presente invento é proporcio nar uma roda de turbina deste tipo que tenha comporta mentos claramente melhorados, tanto no plano mecânico como no da resistência às altas temperaturas e às agressões químicas.
Este objectivo é atingido pelo facto, e de
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acordo com o invento de o reforço fibroso ser formado por um tecido helicoidal com fibras orientadas ra dialmente e fibras orientadas circunferencialmente, variando a proporção de fibras em direcção radial e a proporção de fibras em direcção circunferencial ao longo de um raio da roda em função da variação das restrições radiais e das restrições circunferenciais, que se exercem sobre a roda durante a sua utilização, e, pelo menos uma parte das fibras de direcção circun ferencial da jante, ser de material com grande resistência macânica, como o carbono, ao passo que, pelo menos, uma parte, das fibras em direcção circunferen— ciai nas pás e das fibras em direcção radial ser de material com grande resistência às altas temperaturas e às agressões químicas, como o carboneto de silício.
A combinação de uma proporção de fibras de evolução simultaneamente em direcção radial e em dirje cção circunferencial, em função das restrições sofri, das pela roda, e de uma escolha de materiais com propriedades particulares para as fibras em diferentes partes da roda, permite obter uma roda de turbina ca paz de suportar restrições elevadas com uma longa du ração de vida, mesmo num meio química e termicamente agressivo.
presente invento irá ser melhor compreendido com a leitura da descrição que se segue, a título indicativo mas não restritivo, com referência aos desenhos em anexo, dos quais:
- a figura 1 é uma vista esquemática em perspectiva de uma roda de turbina,
- a figura 2 é uma vista esquemática de um pedaço de tecido helicoidal utilizado para constituir o reforço fibroso do material composito constitutivo de uma roda de turbina de acordo com o invento,
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- a figura 3 representa a variação das restrições circunferenciais e radiais em função de um raio de roda,
- a figura 4 é uma curva que indica de maneira típica a relação entre restrição e deformação de um material compósito constituído por um reforço de fibras refractárias e por uma matriz cerâmica, e
- a figura 5 representa a evolução da propor ção de fibras no tecido helicoidal em direcção circun ferencial e radial, tendo em conta as restrições cuja variação é representada pela figura 3.
A figura 1 representa uma roda de turbina 10 que compreende, de maneira clássica, uma jante 12 com a forma de disco anular cuja parte central forma um cubo de roda l4, e pás l6 distribuídas na periferia da jante.
De acordo com a invenção, a roda é feita de uma só peça de material compósito cujo reforço fibroso é formado por meio de um tecido helicoidal conforme representado pela figura 2.
Os tecidos helicoidais são conhecidos, e o mesmo sucede com o seu processo de fabricação. No exemplo representado,o tecido 20 é formado por fios de urdidura (22) orientados em direcção circunferencial e por fios de trama (24) orientados em direcção radial. A densidade dos fios de urdidura de uma borda à outra do tecido pode ser diminuída ou aumentada afastando ou aproximando os fios de urdidura uns em relação aos outros.
A densidade dos fios de trama de uma borda à outra do tecido, isto é, ao longo de um raio, também pode variar se introduzirem os fios de trama em toda ou parte da largura da urdidura e não necessá- 3 ^S3
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riamente a partir de uma borda desta.
Obtém-se uma forma prévia da roda, apertando umas contra as outras espiras do tecido helicoidal em número e proporção de fibras desejada conforme a espessura pretendida para a referida forma prévia, c£ mo indicado pelas setas da figura 2. 0 seu diâmetro exterior é escolhido com dimensões superiores ao da roda a realizar, fasquia incluída, para ter em atenção a diminuição devida pelo acabamento final.
De acordo com o presente invento, a proporção de fibras orientadas circunferencialmente e a das fibras orientadas radialmente, é variável em função do raio e com o objectivo de se adaptarem às restrições que a roda sofre no decurso da sua utilização.
A figura 3 representa as variações das restrições circunferenciais e radiais numa roda de turbi na, constituída por um material isótropo elástico linear, como por exemplo a representada na figura 1, com um diâmetro interior de 33 mm, um diâmetro exterior de 220 mm (fasquia incluída) e um diâmetro exterior de jante de 155 mm.
Conforme indica a curva C da figura 3, as restrições circunferenciais têm um valor que decresce em função do raio a partir do raio interior da jan te e com um decrescimento mais acentuado na parte que forma o cubo de roda.
Em contrapartida, a curva R da figura 3- mo£ tra que as restrições radiais crescem a partir do raio interior da jante, na parte que forma cubo de roda, para decrescerem em seguida até ao raio exterior da jante. Observa-se um acréscimo súbito e importante das restrições radiais nas bases das pás, após o que as restrições radiais diminuem de maneira regular até
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ao raio exterior da roda.
A utilização de um material compósito constituído por uma fibra de cerâmica refractária (como carbono, carboneto de silício, alumina, alumina-síliça, etc.) e por uma matriz cerâmica ou refractária co mo carboneto de silício, permite diminuir de maneira importante as restrições máximas calculadas na peça.
De facto, conforme se pode observar na figu ra 4, a curva de resistência à tracção desse material apresenta, para além da fase elástica (zona A), uma fase plástica que se atribui em geral a uma micro-fissura da matriz. Um material compósito cerâmico deste tipo adapta-se, portanto, à sobrerestrição local sem ruptura frágil nem propagação de ruptura ulterior ao conjunto da peça. Estes materiais permitem diminuir as restrições circunferenciais ao nível da mandrilagem em 20 a 25$ aproximadamente.
A adaptação na forma prévia da proporção de fibras aos valores das restrições em direcção circunferencial e em direcção radial é realizada fazendo evoluir as proporções relativas de fios de urdidura (fios circunferenciais) e fios de trama (fios radiais) entre a borda interior e a borda exterior do tecido helicoidal (isto é, ao longo de um raio). Por outras palavras, a proporção de fios de urdidura é maior que a dos fios de trama nas zonas onde as restrições circunf erenciais são maiores que as restrições radiais, e inversamente.
Na figura 5» que representa um sector do te eido helicoidal, a evolução da proporção r/c ao longo de um raio esta indicada, sendo r a proporção relativa de fios radiais e c a proporção relativa de fios circunferenciais. Numa primeira zona, correspondente ao cubo de roda da jante, a proporção r/c é em média
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igual a 3θ/7θ, porque as restrições nesse nível se exercem essencialmente na direcção circunferencial. Numa segunda zona, correspondente ao resto da jante com excepção da parte periférica onde estão fixadas as pás, a proporção r/c é em média igual a 50/50.
Numa terceira zona, correspondente à parte de fixação das pás na jante (bases de jantes), a proporção r/c é em média igual a 70/30, porque as restrições se exercem essencialmente na direcção radial. Finalmente, numa quarta zona correspondente à fasquia no exteritír da jante, a proporção r/c evolui desde o va lor 70/30 até ao valor 33/66 que é naturalmente obti_ do com fios radiais que se prolongam ao longo das pas, sem regresso intermédio (do que resulta um decréscimo progressivo da proporção de fios radiais), e com fios circunferenciais espaçados com intervalos iguais (do que resulta uma proporção de fios circunferenciais aproximadamente constante). Como é obvio, não há descontinuidade brusca da proporção r/c na passagem de uma zona para a outra, porque a modificação desta pro porção se faz progressivamente.
Os valores absolutos da proporção de fibras t na direcção radial e da proporção de fibras t^ na direcção circunferenciai são escolhidos de maneira a conferir ao produto final a resistência mecânica necessária para suportar as restrições exercidas. Esco lher-se-á, por exemplo, ao nível do diâmetro interior, uma proporção de fibras circunferenciais suficiente para promover o bom comportamento da roda em relação aos esforços circunferenciais neste nível.
No resto da roda, os valores das proporções t e t^ são escolhidos para respeitar a evolução previamente determinada da proporção r/c. Tem de se verificar se a proporção de fibras radiais ou circunferenciais é
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; assim, ser res61.413 ft
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O1/JJJ/CCL suficiente em zonas particularmente expostas uma proporção de fibras radiais mínima deve peitada na base da pá, para promover a fixação das pás. A expressão proporção de fibras numa zona significa na presente a percentagem da superfície da zona ocupada pelas fibras.
Segundo outra característica do presente in vento, as fibras são escolhidas de maneira a terem propriedades apropriadas para as condições de utiliza ção da roda.
No decorrer da utilização da roda, designadamente num turbo-reactor, esta está exposta, sobretu do na parte periférica, a altas temperaturas e a agres soes químicas. Por conseguinte, as fibras radiais, que podem prolongar-se até ao raio exterior, e as fibras circunferenciais na parte correspondente às pás, são escolhidas, pelo menos em parte, num material apropriado em primeiro lugar para resistir às altas temperaturas e agressões químicas, como por exemplo o carboneto de silício, apesar de ter propriedades mecâ nicas inferiores as dos fios de carbono. Em contrapartida na jante, onde as restrições circunferenciais são grandes, mas onde as agressões térmicas e químicas são menos fortes, as fibras circunferenciais são escolhidas, pelo menos em parte, num material apropri ado, para promover restrições mecânicas grandes, como por exemplo o carbono, apesar de este não oferecer boa resistência às altas temperaturas e às agressões químicas em comparação com a do carboneto de silício. Assim, quando se tece o tecido helicoidal, as fibras de urdidura são por exemplo de carbono, na parte cor-respondente à jante, e de carboneto de silício na parte correspondente à fasquia, ao passo que os fios de trama são de carboneto de silício.
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Quando a fornia prévia da roda for realizada por meio de aperto das espiras de tecido helicoidal, e no seguimento do que atrás se referiu, aquela ó man tida sem alteração por meio de impregnação de uma re sina fugitiva de modo a poder ser finalizada à máquina para se obter um esboço. Este ó seguidamente colocado numa aparelhagem para ser densificado pelo material que constitui a matriz do material compósito. A dens ifi.cação ó realizada de preferência por meio de infiltração em fase vapor do material da matriz, por exemplo carboneto de silício. 0 processo de infiltração do carboneto de silício em fase vapor ó conhecido; a sua descrição é feita no documento FR-A-2 401 888. A eliminação da resina fugitiva produz-se durante a subida de temperatura que precede a infiltração, sendo o esboço mantido pela aparelhagem. Quando a den sificação termina, a roda é acabada nas suas dimensões definitivas.
depósito do primeiro pedido para o invento acima descrito foi efectuado em França em 30 de Se tembro de 1988 sob o N?. 8812853.
Claims (4)
- -REIVINDICAÇÕES1? - Roda de turbina de grande velocidade que compreende uma parte central, ou jante, e pás p_e rifóricas sendo oonstituida por uma só peça de material compósito formado por um reforço fibroso densificado por uma matriz, sendo a orientação das fibras determinada em função das restrições que se exercem sobre a roda durante a sua utilização, caracterizada por o reforço fibroso ser formado por meio de um tecido helicoidal (20) com fibras orientadas radialmen61.413Ref: H Il685-Cas 327OI/JJJ/CCL te e fibras orientadas circunferencialmente, variando a proporção de fibras na direcção radial e a proporção de fibras na direcção circunferencial ao longo de um raio de roda em função da variação das restrições radiais e das restrições circunferenciais, respectiva mente, que se exerce sobre a roda durante a sua utili^ zação, e por uma parte, pelo menos, das fibras na direcção circunferencial na jante serem de um material de grande resistência mecânica, ao passo que, pelo m_e nos, uma parte das fibras na direcção circunferencial nas pás e das fibras na direcção radial serem de um material de grande resistência às altas temperaturas e às agressões químicas.
- 2? - Roda de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por uma parte, pelo menos, das fibras na direcção circunferencial na jante serem de carbono.
- 3? - Roda de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 e 2, caracterizada por uma parte, pe lo menos, das fibras na direcção circunferencial nas pás e na direcção radial serem de carboneto de silício.
- 4-9 - Roda de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 3» caracterizada por a matriz ser de carboneto de silício
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