BR112018008624B1

BR112018008624B1 - Roda com pás de turbomáquina e método para introduzir uma dessintonia intencional em tal roda com pás

Info

Publication number: BR112018008624B1
Application number: BR112018008624-0A
Authority: BR
Inventors: Roger Felipe Montes Parra
Original assignee: Safran Aircraft Engines
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2022-11-22
Also published as: CN108350744B; EP3368748B1; WO2017072469A1; US20180313216A1; CN108350744A; RU2689489C1; EP3368748A1; CA3003396C; BR112018008624A2; FR3043131B1; JP2019500531A; CA3003396A1; US10267155B2; JP6438630B1; FR3043131A1

Abstract

MÉTODO PARA INTRODUZIR UMA DESSINTONIA INTENCIONAL EM UMA RODA COM PÁS DE TURBOMÁQUINA. A presente invenção se refere a um método (100) para introduzir uma dessintonia intencional em uma roda com pás de uma turbomáquina (10) pelo fornecimento de saliências (31) ou entalhes (32) cuja posição é calculada por uma análise vibratória do disco (etapas a) a d)).

Description

CAMPO DA TÉCNICA GERAL

[0001] A presente invenção refere-se a um método para introduzir uma dessintonia intencional em uma roda com pás de uma turbomáquina.

ESTADO DA TÉCNICA

[0002] Uma turbomáquina compreende geralmente, de montante a jusante, no sentido de escoamento de gases, uma ventoinha, um ou vários estágios de compressores, por exemplo um compressor de baixa pressão e um compressor de alta pressão, uma câmara de combustão, um ou vários estágios de turbina, por exemplo uma turbina de alta pressão e uma turbina de baixa pressão, e um tubo de escape de gases.

[0003] Cada estágio de compressor ou de turbina é formado por uma palheta fixa ou estator e uma palheta giratória ou rotor em torno do eixo geométrico principal da turbomáquina.

[0004] Cada rotor compreende de maneira clássica um disco que se estende em torno do eixo geométrico principal da turbomáquina e que compreende uma plataforma anular, assim como uma pluralidade de pás distribuídas de maneira regular em torno do eixo geométrico principal da turbomáquina e que se estendem radialmente em relação a esse eixo geométrico desde uma superfície exterior da plataforma do disco. Fala-se também de “rodas com pás”.

[0005] As rodas com pás estão sujeitas a fenômenos vibratórios múltiplos cujas origens podem ser aerodinâmicas e/ou mecânicas.

[0006] Interessa-se mais particularmente aqui pela oscilação aeroelástica, que é um fenômeno vibratório de origem aerodinâmica. A oscilação aeroelástica está ligada à forte interação entre as pás e o fluido que atravessa as mesmas. De fato, quando a turbomáquina está em funcionamento, as pás, ao serem atravessadas pelo fluido, modificam seu escoamento. Em contrapartida, a modificação do escoamento do fluido que atravessa as pás tem como efeito excitar as mesmas em vibrações. Ora, quando as pás são excitadas nas proximidades de uma de sua frequência própria de vibração, esse acoplamento entre o fluido e as pás pode se tornar instável; é o fenômeno de oscilação aeroelástica. Esse fenômeno se traduz então por oscilações de amplitude crescente das pás que podem levar a fissuras ou pior, à destruição da roda com pás.

[0007] Esse fenômeno é, portanto, muito perigoso e é primordial evitar que o acoplamento entre o fluido e as pás se torne instável.

[0008] A fim de atenuar esse problema, é conhecido “dessintonizar intencionalmente” as rodas com pás. A dessintonia intencional de uma roda com pás consiste em explorar a simetria cíclica da roda com pás, a saber, o fato de que as rodas com pás são geralmente compostas de uma série de setores geometricamente idênticos, e em criar uma disparidade de frequência entre todas as pás da dita roda com pás. Dito de outro modo, a dessintonia intencional de uma roda com pás consiste em introduzir variações entre as frequências próprias de vibração das pás da dita roda com pás. Tal disparidade de frequência permite estabilizar a roda com pás em relação à oscilação aeroelástica aumentando-se seu amortecimento aeroelástico.

[0009] A “dessintonia intencional” se opõe à “dessintonia não intencional” que é o resultado de pequenas variações geométricas das rodas com pás ou de pequenas variações das características do material que constitui as mesmas, geralmente devido às tolerâncias de fabricação e de montagem, que podem levar a pequenas variações das frequências próprias de vibração de uma pá para outra.

[0010] Várias soluções já foram oferecidas para dessintonizar intencionalmente uma roda com pás.

[0011] O documento FR 2 869 069 descreve, por exemplo, um método para introduzir uma dessintonia intencional em uma roda com pás de uma turbomáquina determinada de maneira a reduzir os níveis vibratórios da roda em resposta forçada, caracterizado pelo fato de que consiste em determinar, em função das condições de funcionamento da roda no interior da turbomáquina, um valor ideal de desvio-padrão de dessintonia em relação à resposta máxima em amplitude de vibração pretendida na roda, dispor na dita roda, pelo menos em parte, pás de frequências próprias diferentes de tal modo que a distribuição das frequências do conjunto das pás apresente um desvio-padrão pelo menos igual ao dito valor de dessintonia. Esse documento propõe adicionalmente várias soluções tecnológicas para modificar as frequências próprias de vibração de uma pá a outra, dentre os quais o fato de utilizar materiais diferentes para as pás ou o fato de atuar em sua geometria, por exemplo, utilizando-se pás de diferentes comprimentos.

[0012] O método descrito neste documento precisa, contudo, ser implantado quando da concepção da roda com pás. Ora, quando a turbomáquina está em funcionamento, as rodas com pás são submetidas a fenômenos vibratórios múltiplos e complexos cujas fontes de excitação são variáveis e frequentemente difíceis de prever. Portanto, pode acontecer que uma roda com pás dessintonizada de acordo com o método descrito neste documento seja do mesmo modo submetida a fenômenos vibratórios inconvenientes que não poderiam ser previstos, tais como a oscilação aeroelástica, quando a turbomáquina está em funcionamento.

[0013] Um outro exemplo é descrito no documento EP 2 463 481. Esse documento descreve uma roda com pás na qual saliências são fornecidas em todas as duas pás sobre toda a circunferência de uma superfície interior da plataforma do disco, com o propósito de dessintonizar intencionalmente a dita roda com pás.

[0014] Um outro exemplo é descrito no documento US 2015/0198047. Esse documento descreve uma roda com pás que compreende alternativamente pás formadas a partir de uma primeira liga de titânio e pás formadas a partir de uma segunda liga de titânio, em que a primeira e a segunda ligas de titânio induzem frequências próprias de vibração de pá diferentes.

[0015] Ora, esses dois documentos propõem uma dessintonia intencional sistemática das rodas com pás. Dito de outro modo, seja qual for a roda com pás envolvida, essa é dessintonizada da mesma maneira introduzindo-se uma variação de frequências próprias de vibração em todas as duas pás. Portanto, pode acontecer que uma roda com pás assim dessintonizada seja do mesmo modo submetida a fenômenos vibratórios inconvenientes, tais como a oscilação aeroelástica, quando a turbomáquina está em funcionamento.

APRESENTAÇÃO DA INVENÇÃO

[0016] A presente invenção tem especificamente como objetivo atenuar os inconvenientes das técnicas de dessintonia intencional da arte anterior.

[0017] Esta propõe um método para introduzir uma dessintonia intencional em uma roda com pás de turbomáquina que permite adaptar a dessintonia aplicada à geometria da dita roda com pás a ser dessintonizada e, portanto, aos fenômenos vibratórios inconvenientes, tais como a oscilação aeroelástica, aos quais a dita roda com pás é submetida, quando a turbomáquina está em funcionamento.

[0018] Mais precisamente, a presente invenção tem como objeto um método para introduzir uma dessintonia intencional em uma roda com pás de uma turbomáquina, em que a dita roda com pás compreende um disco que se estende em torno de um eixo geométrico longitudinal e N pás distribuídas de maneira regular em torno do dito eixo geométrico longitudinal e que se estendem radialmente em relação a esse eixo geométrico desde o disco, em que N é um número inteiro natural não nulo, sendo que o dito método compreende as seguintes etapas: a) selecionar um modo próprio de vibração da roda com pás a k diâmetros nodais, em que k é um número inteiro natural diferente de zero e, quando N é um número par, diferente de

, em que o dito modo próprio é um modo de vibração na faixa de funcionamento da turbomáquina; b) determinar o deslocamento das pás sobre toda a circunferência da roda com pás para cada uma das duas ondas estacionárias de deformação de mesma frequência que, combinadas, geram a deflexão modal giratória da roda com pás no modo próprio de vibração selecionado; c) a partir do deslocamento das pás assim determinado para cada uma das duas ondas estacionárias de deformação, determinar as pás para as quais um ventre de vibração de uma primeira das ditas ondas estacionárias de deformação corresponde a um nó de vibração da segunda onda estacionária de deformação; d) fornecer uma saliência ou um entalhe no disco da roda com pás em frente a cada uma das pás assim determinadas, de modo a separar por frequência as duas ondas estacionárias de deformação e, assim, introduzir uma dessintonia intencional na roda com pás em relação ao modo próprio de vibração selecionado.

[0019] Preferencialmente, os entalhes são realizados por rebaixamento ou as saliências são realizadas por metalização.

[0020] Preferencialmente, o disco compreende uma plataforma anular a partir da qual as pás se estendem radialmente, em que as saliências ou os entalhes são fornecidos na plataforma do disco.

[0021] Preferencialmente, as saliências ou os entalhes são fornecidos no disco de modo a se estender em uma amplitude angular em torno do eixo geométrico longitudinal compreendida entre 306°/N e 80°.

[0022] A presente invenção tem igualmente como objeto uma roda com pás de uma turbomáquina que compreende um disco que se estende em torno de um eixo geométrico longitudinal e N pás distribuídas de maneira regular em torno do dito eixo geométrico longitudinal e que se estendem radialmente desde o disco, em que N é um número inteiro natural não nulo, em que a dita roda com pás compreende adicionalmente uma pluralidade de saliências ou de entalhes fornecidos no disco em frente a cada uma das pás determinadas de acordo com as etapas a) a c) do método para introduzir uma dessintonia intencional em uma roda com pás de uma turbomáquina conforme anteriormente descrito.

[0023] A dessintonia assim realizada é diferente estruturalmente de uma dessintonia sistemática.

[0024] Especificamente, o método proposto é particularmente interessante no caso de dessintonia diferente uma pá em duas.

[0025] Preferencialmente, os entalhes são realizados por rebaixamento ou as saliências são realizadas por metalização.

[0026] Preferencialmente, o disco compreende uma plataforma anular a partir da qual as pás se estendem radialmente, em que as saliências ou os entalhes são fornecidos na dita plataforma do disco.

[0027] Preferencialmente, as saliências ou os entalhes são fornecidos no disco de modo a se estender em uma amplitude angular em torno do eixo geométrico longitudinal compreendida entre 306°/N e 80°.

APRESENTAÇÃO DAS FIGURAS

[0028] Outras características, objetivos e vantagens da presente invenção surgirão a partir da leitura da descrição detalhada que seguirá, e em relação aos desenhos anexos, dados a título de exemplos não limitantes e nos quais: - a Figura 1 é uma vista esquemática de uma turbomáquina de fluxo duplo; - as Figuras 2a e 2b são respectivamente uma vista a montante e a jusante, em relação ao sentido de escoamento de gases, de uma roda com pás antes da implantação de um método para introduzir uma dessintonia intencional em uma roda com pás de turbomáquina de acordo com uma modalidade da invenção; - a Figura 3a mostra uma vista a montante, em relação ao sentido de escoamento de gases, da deformação modal giratória do primeiro modo de flexão de dois diâmetros nodais da roda com pás ilustrada nas Figuras 2a e 2b; - a Figura 3b mostra uma vista a jusante, em relação ao sentido de escoamento de gases, da deflexão modal correspondente a uma primeira das duas ondas estacionárias de deformação que, combinadas, geram a deflexão modal giratória da roda com pás ilustrada na Figura 3a; - a Figura 3c mostra uma vista a jusante, em relação ao sentido de escoamento de gases, da deflexão modal correspondente a uma segunda das duas ondas estacionárias de deformação que, combinadas, geram a deflexão modal giratória da roda com pás ilustrada na Figura 3a; - a Figura 3d mostra um gráfico que representa a primeira e a segunda ondas estacionárias de deformação em torno da roda com pás; - a Figura 4 mostra o método para introduzir uma dessintonia intencional na roda com pás, de acordo com uma modalidade da invenção; - a Figura 5a corresponde à Figura 3b na qual os ventres de vibração da primeira onda estacionária de deformação coincidentes com os nós de vibração da segunda onda estacionária de deformação são evidenciados; - a Figura 5b corresponde à Figura 3c na qual os nós de vibração da segunda onda estacionária de deformação coincidentes com os ventres de vibração da primeira onda estacionária de deformação são evidenciados; - a Figura 5c corresponde à Figura 3d na qual as coincidências entre os ventres de vibração da primeira onda estacionária de deformação e os nós de vibração da segunda onda estacionária de deformação; - as Figuras 6a e 6b mostram respectivamente uma vista a montante e a jusante, em relação ao sentido de escoamento de gases, da roda com pás ilustrada nas Figuras 2a e 2b após a implantação do método para introduzir uma dessintonia intencional em uma roda com pás de turbomáquina de acordo com uma primeira modalidade da invenção; - as Figuras 7a e 7b mostram respectivamente uma vista de detalhe a montante e a jusante, em relação ao sentido de escoamento de gases, dos entalhes fornecidos na roda com pás após a implantação do método para introduzir uma dessintonia intencional em uma roda com pás de turbomáquina de acordo com a primeira modalidade da invenção; - a Figura 7c mostra uma vista parcial, em corte longitudinal, da roda com pás após a implantação do método para introduzir uma dessintonia intencional em uma roda com pás de turbomáquina de acordo com a primeira modalidade da invenção; - as Figuras 8a e 8b mostram respectivamente uma vista a montante e a jusante, em relação ao sentido de escoamento de gases, da roda com pás ilustrada nas Figuras 2a e 2b após a implantação do método para introduzir uma dessintonia intencional em uma roda com pás de turbomáquina de acordo com uma segunda modalidade da invenção; - as Figuras 9a e 9b mostram respectivamente uma vista de detalhe a montante e a jusante, em relação ao sentido de escoamento de gases, dos entalhes fornecidos na roda com pás após a implantação do método para introduzir uma dessintonia intencional em uma roda com pás de turbomáquina de acordo com a segunda modalidade da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0029] A título preliminar, denominam-se “nós de vibração”, os pontos de um sistema mecânico que, para um modo de vibração dado, têm um deslocamento nulo. Esses pontos, portanto, não estão em movimento. Denominam-se “ventres de vibração”, os pontos de um sistema mecânico que, para um modo de vibração dado, têm um deslocamento máximo. Esses pontos apresentam, portanto, um movimento de amplitude máxima.

[0030] A Figura 1 ilustra uma turbomáquina de fluxo duplo 10. A turbomáquina 10 se estende de acordo com um eixo geométrico principal 11 e compreende um conduto de ar 12 pelo qual um fluxo de gás penetra na turbomáquina 10 e no qual o fluxo de gás atravessa uma ventoinha 13. A jusante da ventoinha 13, o fluxo de gás se separa em um fluxo de gás primário que escoa em uma corrente primária 14 e um fluxo de gás secundário que escoa em uma corrente secundária 15.

[0031] Na corrente primária 14, o fluxo primário atravessa, de montante a jusante, um compressor de baixa pressão 16, um compressor de alta pressão 17, uma câmara de combustão 18, uma turbina de alta pressão 19, uma turbina de baixa pressão 20 e um cárter de escape de gases ao qual é ligado um tubo de escape 22. Na corrente secundária 15, o fluxo secundário atravessa uma palheta fixa ou retificador de ventoinha 24, e depois vem se misturar ao fluxo primário no nível do tubo de escape 22.

[0032] Cada compressor 16, 17 da turbomáquina 10 compreende vários estágios, em que cada estágio é formado por uma palheta fixa ou estator e uma palheta giratória ou rotor 23 em torno do eixo geométrico principal 11 da turbomáquina 10. A palheta giratória ou rotor 23 é também denominada “roda com pás”.

[0033] As Figuras 2a e 2b mostram respectivamente uma vista a montante e a jusante, em relação ao sentido de escoamento de gases, de uma roda com pás 23 antes da implantação de um método 100 para introduzir uma dessintonia intencional em uma roda com pás de turbomáquina de acordo com uma modalidade da invenção.

[0034] A roda com pás 23 compreende um disco 25 que se estende em torno de um eixo geométrico longitudinal 26 que, quando a roda com pás 23 está montada na turbomáquina 10, é confundido com o eixo geométrico principal 11 da dita turbomáquina 10. A roda com pás 23 compreende adicionalmente uma plataforma anular 27 disposta na periferia do disco 25. A plataforma 27 apresenta uma superfície interior 28 voltada para o eixo geométrico longitudinal 26 e uma superfície exterior 29 que é oposta à mesma. A plataforma 27 se estende em ambos os lados do disco 25 na direção do eixo geométrico longitudinal 26.

[0035] A roda com pás 23 compreende adicionalmente uma pluralidade de pás 30 distribuídas de maneira regular em torno do eixo geométrico longitudinal 26 e que se estendem radialmente em relação a esse eixo geométrico 26 desde a superfície exterior 29 da plataforma 27. A roda com pás 23 compreende N pás 30, em que N é um número inteiro natural não nulo. As pás 30 podem ser monoblocos com o disco 25 ou ser aplicadas no disco 25 por meios bem conhecidos da pessoa versada na técnica. No exemplo ilustrado nas Figuras 2a e 2b, a roda com pás 23 compreende trinta e quatro pás 30 e são de forma inteiriça com o disco 25.

[0036] Cada pá 30 compreende um bordo de ataque que está situado axialmente a montante de acordo com o sentido de escoamento de gases em relação à dita pá 30, e um bordo de fuga que está situado axialmente a jusante de acordo com o sentido de escoamento de gases em relação à dita pá 30.

[0037] De uma maneira geral, as rodas com pás apresentam uma simetria cíclica. Dito de outro modo, as rodas com pás são compostas de uma série de setores geometricamente idênticos que se repetem de maneira circular. Por exemplo, a roda com pás 23 compreende N setores idênticos, em que um setor está associado a cada uma das pás 30.

[0038] Para realizar a análise modal da roda com pás, procura-se resolver o problema de valores próprios: (K - ω2 M) X = 0, com K correspondente à matriz de rigidez da roda com pás, M correspondente à matriz de massa da roda com pás, X correspondente ao vetor de deslocamento da roda com pás e w correspondente às pulsações próprias da roda com pás.

[0039] Ora, a simetria cíclica da roda com pás permite realizar a análise modal da roda com pás completa considerando-se apenas um único setor. Para tal, coloca- se no espaço de Fourier e o problema de valores próprios mencionado acima pode ser reformulado do seguinte modo:

, com k correspondente às ordens de Fourier,

correspondente à matriz de rigidez do setor na ordem k,

correspondente à matriz de massa do setor na ordem k,

correspondente ao vetor de deslocamento do setor na ordem k e w correspondente às pulsações próprias do setor. O problema de valores próprios assim reformulado é resolvido para cada ordem k de Fourier. Considera-se em geral as ordens de Fourier k E [0; K], com:

[0040] Os valores próprios obtidos para cada ordem de Fourier k correspondem a valores próprios da roda com pás completa.

[0041] As soluções obtidas para k = 0 e, quando N é par,

corresponde respectivamente a modos próprios de vibração em que todos os setores se deformam em fase e a modos próprios de vibração em que os setores adjacentes se deformam em oposição de fase. As deflexões modais da roda com pás para todos os modos próprios de vibração associados a cada uma dessas duas ordens de Fourier correspondem a uma onda estacionária de deformação.

[0042] Para as outras ordens de Fourier k, as soluções são duplas e a cada pulsação própria Mk, associa-se dois vetores próprios ortogonais que formam uma base para os modos próprios de vibração associados a essas ordens de Fourier, de tal modo que qualquer combinação linear desses vetores é também um vetor próprio. As deflexões modais da roda com pás para todos os modos próprios de vibração associados a cada uma dessa ordens de Fourier correspondem a uma onda giratória de deformação que é a combinação linear de duas ondas estacionárias de deformação de mesma frequência. As duas ondas estacionárias de deformação são defasadas de um quarto de período.

[0043] Para além das deflexões modais dos modos próprios de vibração correspondentes à ordem de Fourier k = 0, as deflexões modais de uma roda com pás apresentam linhas nodais que se estendem radialmente em relação ao eixo geométrico longitudinal da roda com pás. Essas linhas nodais são comumente denominadas “diâmetros nodais” e seu número corresponde à ordem de Fourier k.

[0044] A fim de ilustrar isso, as Figuras 3a a 3d mostram respectivamente: - a deflexão modal do primeiro modo de flexão de dois diâmetros nodais da roda com pás 23, em que essa deflexão modal é giratória; - a deflexão modal correspondente a uma primeira OI das duas ondas estacionárias de deformação OI e O2 que, combinadas, geram a deflexão modal da roda com pás 23 ilustrada na Figura 3a; - a deflexão modal correspondente a uma segunda O2 das duas ondas estacionárias de deformação OI e O2 que, combinadas, geram a deflexão modal da roda com pás 23 ilustrada na Figura 3a; - um gráfico que representa a primeira e a segunda ondas estacionárias de deformação OI e O2 em torno da roda com pás 23; esse gráfico mostra o deslocamento δ das pás 30 sobre toda a circunferência da roda com pás 23, em que as pás 30 são numeradas de 1 a N seguindo sua ordem de aparição na circunferência da roda com pás 23, correspondentes a cada uma das ondas estacionárias de deformação OI e O2; no gráfico, o deslocamento δ das pás 30 corresponde ao deslocamento das pás 30 no topo de seu bordo de ataque e é normalizado em relação ao deslocamento máximo das ditas pás 30; observa-se bem aqui que as duas ondas estacionárias de deformação OI e O2 são defasadas de um quarto de período.

[0045] Para maiores informações sobre a análise modal das rodas com pás, será possível, por exemplo, se referir aos documentos seguintes: - Nicolas Salvat, Alain Batailly, Mathias Legrand. Caractéristiques modales des mouvements d'arbre pour des structures à symétrie cyclique. 2013. <hal-00881272v2>; - Bartholomé Segui Vasquez. Modélisation dynamique des systèmes disques aubes multi-étages: Effets des incertitudes. Outro. INSA de Lyon, 2013. Francês. <NNT: 2013ISAL0057>; - Denis Laxalde. Etude d'amortisseurs non-linéaires appliqués aux roues aubagées et aux systèmes multi-étages. Mecânica. Ecole Centrale de Lyon, 2007. Francês. <tel-00344168>; - Marion Gruin. Dynamique non-linéaire d'une roue de turbine Basse Pression soumise à des excitations structurales d'un turboréacteur. Outro. Ecole Centrale de Lyon, 2012. Francês. <NNT: 2012ECDL0003>. <tel-00750011>.

[0046] A Figura 4 mostra o método 100 para introduzir uma dessintonia intencional na roda com pás 23, de acordo com uma modalidade da invenção. O método 100 compreende as seguintes etapas: a) selecionar um modo próprio de vibração da roda com pás 23 a k diâmetros nodais, em que k é um número inteiro natural diferente de zero e, quando N é um número par, diferente de

b) determinar o deslocamento δ das pás 30 sobre toda a circunferência da roda com pás 23 para cada uma das duas ondas estacionárias de deformação OI e O2 de mesma frequência f que, combinadas, geram a deflexão modal giratória da roda com pás 23 no modo próprio de vibração selecionado; c) a partir do deslocamento δ das pás 30 assim determinado para cada uma das duas ondas estacionárias de deformação OI e O2, determinar as pás 30 para as quais um ventre de vibração de uma primeira O1, O2 das ditas ondas estacionárias de deformação corresponde a um nó de vibração da segunda onda estacionária de deformação O2, OI ; d) fornecer uma saliência 31 ou um entalhe 32 no disco 25 da roda com pás 23 em frente a cada uma das pás 30 assim determinadas, de modo a separar por frequência as duas ondas estacionárias de deformação OI e O2 e, assim, introduzir uma dessintonia intencional na roda com pás 23 em relação ao modo próprio de vibração selecionado.

[0047] O método 100 permite modificar uma das duas ondas estacionárias de deformação OI e O2 sem impactar a outra das ditas ondas estacionárias de deformação OI e O2, garantindo assim a separação de frequência das ditas duas ondas estacionárias de deformação Oi e O2 e, portanto, das pás 30 dispostas em frente aos entalhes 31 em relação às outras pás 30. O método 100 tira vantagem do forte acoplamento dinâmico entre as pás 30 e o disco 25 para induzir uma disparidade de frequência entre as pás 30 modificando-se a geometria do disco 25.

[0048] O método 100 é particularmente vantajoso visto que permite dessintonizar intencionalmente a roda com pás 23 fora do processo de concepção da dita roda com pás 23 e sem aplicar uma dessintonia sistemática que não seria necessariamente adaptada à dita roda com pás 23. A roda com pás 23 pode de fato ser dessintonizada intencionalmente uma vez que a roda com pás 23 é concebida e fabricada, na medida em que não se modifica diretamente as pás 30, mas o disco 25. Além disso, ao não se modificar a geometria ou o material das pás 30, evita-se de impactar seu aerodinamismo.

[0049] A etapa a) é, por exemplo, realizada na sequência de testes em túnel de vento da turbomáquina 10 e, portanto, da roda com pás 23, tendo evidenciado fenômenos vibratórios inconvenientes, tais como a oscilação aeroelástica a um modo próprio de vibração da roda com pás 23. Esses fenômenos vibratórios inconvenientes podem, por exemplo, surgir na forma de fissuras na raiz das pás 30. Essas fissuras podem em seguida estar associadas a um fenômeno vibratório particular, por exemplo a oscilação aeroelástica, e o ou os modos próprios de vibração para o qual ou os quais esse fenômeno vibratório surge podem em seguida ser determinados.

[0050] A etapa b) é, por exemplo, realizada por simulação numérica por meio de um software adaptado, tal como os softwares de simulação numérica propostos por ANSYS Inc que implantam o método dos elementos finitos. O deslocamento δ das pás 30 sobre toda a circunferência da roda com pás 23 é, por exemplo, determinado no topo do bordo de ataque das pás 30. Entende-se por “topo do bordo de ataque” o ponto do bordo de ataque das pás 30 que é o mais afastado do eixo geométrico longitudinal 26.

[0051] As Figuras 5a a 5c ilustram a etapa c) quando o modo próprio selecionado na etapa a) é o primeiro modo de flexão de dois diâmetros nodais. Observa-se nessas Figuras que os ventres de vibração da primeira onda estacionária de deformação OI coincidem com os nós de vibração da segunda onda estacionária de deformação O2 no nível de quatro pás. Tratam-se das pás numeradas aqui 6, 14, 23 e 31. Essas coincidências são referenciadas CI a C4 nas Figuras 5a a 5c.

[0052] Na etapa c), cada ventre de vibração da primeira onda estacionária de deformação OI pode igualmente coincidir com um nó de vibração da segunda onda estacionária de deformação O2 no nível de várias pás 30 adjacentes. Nesse caso, uma saliência 31 ou entalhe 32 pode ser fornecido no disco 25, em frente a cada série de pás 30 adjacentes, em uma amplitude angular em torno do eixo geométrico longitudinal 26 pelo menos igual ao número de pás 30 de cada série multiplicado por 306°/N.

[0053] As Figuras 6a e 6b mostram a roda com pás 23 após a implantação do método 100, e as Figuras 7a e 7b mostram em maiores detalhes os entalhes 32 fornecidos no disco 25 na etapa d).

[0054] Os entalhes 32 são fornecidos na plataforma 27 do disco 25. Os entalhes 32 são assim fornecidos no disco 25 mais próximos das pás 30. Isso permite aumentar o efeito da modificação geométrica do disco 25 sobre a frequência das pás 30.

[0055] Os entalhes 32 são, de preferência, posicionados na plataforma 27 de maneira simétrica em relação ao dito disco 25, a fim de se garantir o equilíbrio dinâmico da roda com pás 23.

[0056] Os entalhes 32 se estendem, de preferência, em uma amplitude angular em torno do eixo geométrico longitudinal 26 entre 306°/N e 80°. No exemplo ilustrado nas Figuras 6a e 6b, os entalhes 32 se estendem em uma amplitude angular substancialmente de 40° em torno do eixo geométrico longitudinal 26. Entende-se por “substancialmente de 40°” o fato de que os entalhes 32 se estendem em uma amplitude angular de 40° em torno do eixo geométrico longitudinal 26 a 5° aproximadamente.

[0057] Os entalhes 32 são, por exemplo, realizados por rebaixamento. O rebaixamento aplicado no disco 25, mais precisamente na plataforma 27 do disco 25, é ilustrado em linha tracejada na Figura 7c.

[0058] No exemplo ilustrado nas Figuras 6a e 6b, os entalhes 32 realizados no disco 25 da roda com pás 23 correspondem, por exemplo, a uma retirada de matéria da roda com pás 23 de cerca de 5,5% da massa da roda com pás 23 antes da implantação do método 100, e permitem obter uma separação de frequência substancialmente de 4,1% no primeiro modo de flexão de dois diâmetros nodais entre as pás 30 que se situam em frente aos entalhes 32 e as outras pás 30.

[0059] As Figuras 8a e 8b mostram a roda com pás 23 após a implantação do método 100, e as Figuras 9a e 9b mostram em maiores detalhes as saliências 31 fornecidas no disco 25 na etapa d).

[0060] As saliências 31 são fornecidas na plataforma 27 do disco 25. As saliências 31 são assim fornecidas no disco 25 mais próximas das pás 30. Isso permite aumentar o efeito da modificação geométrica do disco 25 sobre a frequência das pás 30.

[0061] As saliências 31 são, de preferência, posicionadas na plataforma 27 de maneira simétrica em relação ao dito disco 25, a fim de se garantir o equilíbrio dinâmico da roda com pás 23.

[0062] As saliências 31 se estendem, de preferência, radialmente desde a superfície interior 28 da plataforma 27 do disco 25. Dito de outro modo, as saliências 31 se estendem, de preferência, radialmente desde a plataforma 27 em direção ao eixo geométrico longitudinal 26.

[0063] No exemplo ilustrado nas Figuras 9a e 9b, as saliências 31 se estendem radialmente desde a plataforma 27 e seguindo o eixo geométrico longitudinal 26 desde o disco 25.

[0064] No exemplo ilustrado nas Figuras 9a e 9b, a plataforma 27 compreende, em sua extremidade disposta a montante em relação ao sentido de escoamento de gases, um flange que se estende radialmente em direção ao eixo geométrico longitudinal 26. O flange é dotado de aberturas atravessantes dispostas paralelamente ao eixo geométrico longitudinal 26 e configuradas para receber pesos, por exemplo cavilhas, a fim de poder reequilibrar a roda com pás 23 se necessário. Nesse caso, as saliências 31 são, de preferência, dispostas distantes do flange, a fim de liberar um espaço entre as saliências 31 e o flange e, assim, não impedir a inserção dos pesos nas aberturas.

[0065] As saliências 31 se estendem, de preferência, em uma amplitude angular em torno do eixo geométrico longitudinal 26 entre 306°/N e 80°. No exemplo ilustrado nas Figuras 8a e 8b, as saliências 31 se estendem em uma amplitude angular substancialmente de 40° em torno do eixo geométrico longitudinal 26. Entende-se por “substancialmente de 40°” o fato de que os entalhes 32 se estendem em uma amplitude angular de 40° em torno do eixo geométrico longitudinal 26 a 5° aproximadamente.

[0066] As saliências 31 são, por exemplo, realizadas por metalização do disco 25, isto é, por adição de matéria ao disco 25. De preferência, as saliências 31 são realizadas a partir de um material que é o mesmo que aquele a partir do qual o disco 25 é fabricado, a fim de preservar a resistência mecânica e a vida útil da roda com pás 23. No entanto, as saliências 31 podem igualmente ser realizadas a partir de um material diferente daquele a partir do qual o disco 25 é fabricado.

[0067] Será compreendido que a pessoa versada na técnica saberá, a partir de seus conhecimentos gerais, qual quantidade de matéria retirada ou adicionada ao disco 25 em relação à massa da roda com pás 23 antes da implantação do método 100, de modo a obter a separação de frequência desejada no modo próprio de vibração selecionado entre as pás 30 que se situam em frente às saliências 31 ou aos entalhes 32 e aquele das outras pás 30.

[0068] A presente invenção é descrita abaixo fazendo-se referência a uma roda com pás 23 de um compressor 16, 17 de turbomáquina 10. Contudo, a invenção se aplica do mesmo modo a um rotor 32 de uma turbina 19, 20 ou a uma ventoinha 13, na medida em que essas rodas com pás podem ser igualmente confrontadas com fenômenos vibratórios inconvenientes, tais como a oscilação aeroelástica. Como terá sido compreendido, o método proposto é particularmente interessante no caso de dessintonia diferente uma pá em duas.

Claims

1. Método (100) para introduzir uma dessintonia frequencial entre pás de uma roda com pás (23) de uma turbomáquina (10) em relação a um modo próprio de vibração da roda com pás, a dita roda com pás (23) compreendendo um disco (25) que se estende em torno de um eixo geométrico longitudinal (26) e N pás (30) distribuídas uniformemente em torno do dito eixo geométrico longitudinal (26) e se estendendo radialmente em relação a esse eixo geométrico (26) a partir do disco (25), N sendo um número inteiro natural não nulo, o dito método (100) caracterizado por compreender as seguintes etapas: a) selecionar o modo próprio de vibração da roda com pás (23) com k diâmetros nodais, k sendo um número inteiro natural diferente de zero e, quando N é um número par, diferente de

, o dito modo próprio sendo um modo de vibração na faixa de funcionamento da turbomáquina; b) determinar o deslocamento (δ) das pás (30) sobre toda a circunferência da roda com pás (23) para cada uma das duas ondas estacionárias de deformação (OI, O2) de mesma frequência (f) que, combinadas, geram a deflexão modal giratório da roda com pás (23) no modo próprio de vibração selecionado; c) a partir do deslocamento (δ) das pás (30) assim determinado para cada uma dentre as duas ondas estacionárias de deformação (O1, O2), determinar as pás (30) para as quais um ventre de vibração de uma primeira das ditas ondas estacionárias de deformação (O1, O2) corresponde a um nó de vibração da segunda onda estacionária de deformação (O2, O1); d) dispor uma saliência (31) ou um entalhe (32) no disco (25) da roda com pás (23) em frente a cada uma dentre as pás (30) assim determinadas, de modo a separar por frequência as duas ondas estacionárias de deformação (O1, O2) e, assim, introduzir uma dessintonia intencional na roda com pás (23) em relação ao modo próprio de vibração selecionado.

2. Método (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os entalhes (32) são realizados por rebaixamento ou as saliências (31) são realizadas por metalização.

3. Método (100), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o disco (25) compreende uma plataforma (27) anular a partir da qual as pás (30) se estendem radialmente, as saliências (31) ou os entalhes (32) sendo dispostos na dita plataforma (27) do disco (25).

4. Método (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as saliências (31) ou os entalhes (32) são dispostos no disco (25) de modo a se estender em uma amplitude angular em torno do eixo geométrico longitudinal (26) compreendida entre 306°/N e 80°.

5. Roda com pás (23) de uma turbomáquina (10) compreendendo um disco (25) se estendendo em torno de um eixo geométrico longitudinal (26) e N pás (30) distribuídas uniformemente em torno do dito eixo geométrico longitudinal (26) se estendendo radialmente a partir do disco (25), N sendo um número inteiro natural não nulo, a dita roda com pás caracterizada pelo fato de que compreende uma pluralidade de saliências (31) ou de entalhes (32) fornecidos no disco (25) em frente a cada uma das pás (30) determinadas de acordo com as etapas a) a c) do método (100) para introduzir uma dessintonia frequencial entre pás em uma roda com pás (23) de uma turbomáquina (10) em relação a um modo próprio de vibração da roda com pás (23) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4.

6. Roda com pás (23), de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que os entalhes (32) são realizados por rebaixamento ou as saliências (31) são realizadas por metalização.

7. Roda com pás (23), de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizada pelo fato de que o disco (25) compreende uma plataforma (27) anular a partir da qual as pás (30) se estendem radialmente, as saliências (31) ou os entalhes (32) sendo dispostos na dita plataforma (27) do disco (25).

8. Roda com pás (23), de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizada pelo fato de que as saliências (31) ou os entalhes (32) são dispostos no disco (25) de modo a se estender em uma amplitude angular em torno do eixo geométrico longitudinal (26) compreendida entre 306°/N e 80°.