BR102015002096A2 - componente de caminho de gás quente - Google Patents

Abstract

componente de caminho de gás quente trata-se de um componente de caminho de gás quente que inclui um substrato que tem uma superfície externa exposta a uma corrente de gases quentes e uma superfície interna exposta a um fluxo de resfriamento. um ou mais pares de entradas de abastecimento de resfriamento são formados na superficie interna do substrato para receber o fluxo de ar de resfriamento. um ou mais pares de saídas de abastecimento de resfriamento sâo formados na superfície externa do substrato para descarregar o fluxo de ar de resfriamento. um canal de fluxo de resfriamento se estende através do substrato e entre cada uma das entradas de abastecimento de resfriamento e das saidas de abastecimento de resfriamento para permitir a passagem do fluxo de ar de resfriamento. cada par de um ou mais pares de saídas de abastecimento de resfriamento é configurado de forma que tenha ângulos compostos complementares oi e b, onde ou e dz sâo componentes de ângulo de injeção do fluxo de resfriamento descarregado de cada par de um ou mais pares de saidas de abastecimento de resfriamento e b1 e b2 sâo componentes de ângulo transversal composto do fluxo de resfriamento descarregado de cada par de um ou mais pares de saidas de abastecimento de resfriamento e em que os componentes de ângulo transversal b1 e b2 sâo do mesmo sinal.

Description

“COMPONENTE DE CAMINHO DE GÁS QUENTE” Antecedentes [001] A revelação refere-se, em gerai, a motores de turbina a gás e, mais especificamente, a resfriamento de peíícuía no mesmo.

[002] Em um motor de turbina a gás, o ar é pressurizado em um compressor e misturado com combustível em um combustor para gerar gases quentes de combustão. A energia é extraída dos gases em uma turbina de aita pressão (HPT), a qual alimenta o compressor, e em uma turbina de baixa pressão (LPT), a qual alimenta uma ventoinha em uma aplicação de motor de aeronave de turbofan ou alimenta uma haste externa para aplicações industriais e marinhas, [003] A eficácia do motor aumenta com a temperatura dos gases de combustão. Entretanto, os gases de combustão aquecem os diversos componentes ao longo do seu caminho de fluxo, o que, por sua vez, requer o resfriamento dos mesmos para alcançar um uma vida útil aceitavelmente longa. Tipicamente, os componentes de caminho de gás quente são resfriados por sangria de ar a partir do compressor. Esse processo de resfriamento reduz a eficácia do motor, enquanto o ar sangrado não é usado nos processos de combustão.

[004] A técnica de resfriamento de motor de turbina a gás é completamente desenvolvida e inclui inúmeras patentes para diversos aspectos de recursos e circuitos de resfriamento nos diversos componentes de caminho de gás quente. Por exemplo, o combustor inclui forros radialmente internos e externos, os quais requerem resfriamento durante a operação. Os bocais de turbina incluem pás ocas sustentadas entre bandas internas e externas, as quais também requerem resfriamento. As lâminas de rotor de turbina são ocas e tipicamente incluem circuitos de resfriamento nas mesmas, em que as lâminas são circundadas por reforços de turbina que também requerem resfriamento. Os gases quentes de combustão são descarregados através um exaustor que também pode ser forrado e resfriado adequadamente.

[005] Em todos esses componentes de motor de turbina a gás exempfificativos. paredes finas de metais de superliga de aita resistência são tipicamente usadas para reduzir o peso dos componentes e minimizar a necessidade de resfriamento dos mesmos. Diversos recursos e circuitos de resfriamento são adaptados para esses componentes individuais em seus ambientes correspondentes no motor. Por exemplo, uma serie de serpentinas ou passagens de resfriamento internas, podem ser em um componente de caminho de gás quente. Um fluido de resfriamento, tal como um abastecimento relativamente frio de ar comprimido, o qual pode ser abastecido pelo compressor do motor de turbina, pode ser fornecido para as serpentinas a partir de uma câmara e o fluido de resfriamento pode fluir através das passagens, que sai através de um ou mais pequenos orifícios formados na superfície da parede, que resfria o substrato de componente de caminho de gás quente e quaisquer revestimentos associados. Entretanto, essa estratégia de resfriamento tipicamente resulta em transferência de calor relativamente ineficiente e perfis de temperatura de componente não uniforme.

[006] Conforme indicado, em alguns casos, o abastecimento de ar comprimido é liberado através de pequenos orifícios na superfície dos aerofólios. Liberado dessa maneira, o abastecimento de ar forma uma película ou uma camada fina de ar relativamente frio na superfície do aerofólio, em que ambos resfriam e isolam a parte das temperaturas mais altas que o circundam. Esse tipo de resfriamento é comumente denominado como "resfriamento de película". Resfriamento por película envolve um fluxo tridimensional complexo. Interações entre uma corrente livre e os jatos ou orifícios de resfriamento, influenciam a eficácia geral da película. Entretanto, esse tipo de resfriamento de película íem um custo. A liberação do ar comprimido dessa maneira sobre a superfície do aerofólio diminui a eficácia aérea do motor, Além disso, o fluído de resfriamento que sai dos orifícios de resfriamento para o interior da passagem de corrente livre de gás de alta temperatura é facilmente separado da superfície da parede, para que a eficácia do resfriamento de película seja baixa. A tecnologia de projeto de corrente é focada em orifícios de resfriamento modelados, que usam a geometria do orifício modelado para desacelerar e difundir o resfriamento de película, que leva a uma eficácia de película mais elevada, pode ainda ser de fabricação dispendiosa. Como um resultado, existe uma necessidade contínua de estratégias resfriamento aprimoradas, incluindo o resfriamento de película aprimorado para aerofólios de turbina.

[007] Por conseguinte, seria desejável fornecer um componente de caminho de gás quente e um método para formar estruturas de resfriamento no componente de caminho de gás quente que fornece um projeto mais eficaz e flexível de resfriamento que não apresente as desvantagens acima.

Breve Descrição [008] Essas e outras deficiências da técnica anterior são abordadas pela presente revelação, a qual fornece um componente com recursos de resfriamento de ângulo composto e método de fabricação.

[009] Um aspecto da presente revelação reside em um componente de caminho de gás quente. O componente de caminho de gás quente que inclui um substrato, que tem uma superfície externa exposta a uma corrente de gases quentes e uma superfície interna exposta a um fluxo de resfriamento, em que a superfície interna define pelo menos um espaço interior e um ou mais pares de entradas de abastecimento de resfriamento formados na superfície interna do substrato para receber o fluxo de ar de resfriamento, um ou mais pares de saídas de abastecimento de resfriamento formados na superfície externa do substrato para descarregar o fluxo de ar de resfriamento e um canal de fluxo de resfriamento que se estende através do dito substrato e entre cada uma das entradas de abastecimento de resfriamento e saídas de abastecimento de resfriamento para permitir a passagem do fluxo de ar de resfriamento a partir das entradas de abastecimento de resfriamento para as saídas de abastecimento de resfriamento. Cada par de um ou mais pares de saídas de abastecimento de resfriamento são configurados de modo que tenham ângulos compostos complementares a e β, onde a} e a2 são componentes de ângulo de injeção do fluxo de resfriamento descarregado a partir de cada par de um ou mais pares de saídas de abastecimento de resfriamento medidos em relação às superfícies interna e externa do substrato e βι e β2 são componentes de ângulo transversal composto do fluxo de resfriamento descarregado a partir de cada par de um ou mais pares de saídas de abastecimento de resfriamento sobre um plano ao longo da superfície externa e em relação a um eixo geométríco-z alinhado em relação à direção de fluxo dos gases quentes externos, e em que os componentes de ângulo transversal βι e β2 são do mesmo sinal. J010] Outro aspecto da presente revelação reside em uma parede de um componente de caminho de gás quente. Em que a parede inclui superfícies externa e interna opostas que têm dois ou mais orifícios de resfriamento de película de ângulos compostos que se estendem longitudinalmente através da mesma e entre duas ou mais entradas de abastecimento de resfriamento formadas na superfície interna para receber um fluxo de resfriamento e duas ou mais saídas de abastecimento de resfriamento formadas na superfície externa para descarregar o fluxo de resfriamento, cada uma das duas ou mais entradas de abastecimento de resfriamento em comunicação fíuida com uma das duas ou mais saídas de abastecimento de resfriamento por meio de um canal de fluxo de resfriamento. Cada um dos dois ou mais orifícios de resfriamento de película de ângulos compostos é configurado em um par que tem ângulos compostos complementares α e β, onde αι e (¾ são componentes de ângulo de injeção do fluxo de resfriamento descarregado a partir de um par de saídas de abastecimento de resfriamento medido em relação às superfícies interna e externa do substrato e βι e βζ são componentes de ângulo transversal composto do fluxo de resfriamento descarregado a partir de pares de saídas de abastecimento de resfriamento sobre um plano ao longo da superfície externa e em relação a um eixo geométrico-z alinhado em relação a uma direção de fluxo de gases quentes externos e em que os componentes de ângulo transversal βι e β2 são do mesmo sinal.

[011] Vários refinamentos dos recursos mencionados acima existem em relação aos diversos aspectos da presente revelação. Recursos adicionais também podem ser incorporados nesses diversos aspectos. Esses refinamentos e recursos adicionais podem existir individualmente ou em qualquer combinação. Por exemplo, diversos recursos discutidos abaixo em relação a uma ou mais das realizações ilustradas podem ser incorporados em quaisquer dos aspectos descritos acima da presente revelação por si sós ou em qualquer combinação. Novamente, o breve sumário apresentado acima se destina apenas para familiarizar o leitor com certos aspectos e contextos da presente revelação sem limitação à matéria reivindicada.

Figuras [012] Esses e outros recursos, aspectos e vantagens da presente revelação se tornarão mais bem entendidos quando a seguinte descrição detalhada for lida com referência aos desenhos anexos, nos quais caracteres iguais representam partes iguais ao longo dos desenhos, em que: A Figura 1 é uma ilustração esquemática de um sistema de turbina a gás que tem vários componentes, em que cada um inclui um ou mais recursos de resfriamento compostos, de acordo com uma ou mais realizações mostradas ou descritas no presente documento; A Figura 2 é um corte transversal esquemático de uma configuração de aerofólio exemplificador que inclui um ou mais recursos de resfriamento compostos, de acordo com uma ou mais realizações mostradas ou descritas no presente documento; A Figura 3 mostra esquematicamente, em uma vista lateral em corte transversal, recursos de resfriamento compostos exemplificadores, de acordo com uma ou mais realizações mostradas ou descritas no presente documento; A Figura 4 mostra esquematicamente, em uma vista plana em corte transversal conforme indicado pela linha tracejada na Figura 3, recursos de resfriamento compostos exemplificadores, de acordo com uma ou mais realizações mostradas ou descritas no presente documento; A Figura 5 mostra esquematicamente, em uma vista plana em corte transversal, recursos de resfriamento compostos exemplificadores, de acordo com uma ou mais realizações mostradas ou descritas no presente documento; A Figura 6 mostra esquematicamente, em uma vista ortogonal, recursos de resfriamento compostos exemplificadores da Figura 5, de acordo com uma ou mais realizações mostradas ou descritas no presente documento: e A Figura 7 é uma vista esquemática térmica de topo do componente de caminho de gás quente das Figuras 5 e 6, de acordo com uma ou mais realizações mostradas ou descritas no presente documento.

Descrição detalhada [013] Os termos “primeiro”, “segundo” e similares, no presente documento não denotam quaíquer ordem, quantidade ou importância, mas são utilizados para distinguir um elemento de outro. Os termos “um” e “uma” no presente documento não denotam uma limitação de quantidade, mas, em vez disso, denotam a presença de pelo menos um dos itens mencionados. O modificador "cerca de" usado em conexão com uma quantidade inclui o valor declarado e tem o significado ditado peío contexto, (isto é, inclui o grau de erro associado à medição da quantidade particular). Além disso, o termo "combinação” inclui misturas, ligas, produtos de reação e similares.

[014] Além disso, neste relatório descritivo, o sufixo "(s)” geralmente se destina a incluir ambos o singular e o plural da palavra que modifica, incluindo, assim, um ou mais de tais termos (por exemplo, “a saída de resfriamento" pode incluir uma ou mais saídas de resfriamento, a menos que seja especificado de outro modo). Referência ao longo do relatório descritivo para "uma (1) realização," “outra realização,” “uma realização," e assim por diante, significa que um elemento particular (isto é, recurso, estrutura, e/ou característica) descrito em conexão com a realização está incluído em pelo menos uma realização descrita no presente documento e pode ou não estar presente em outras realizações. Similarmente, referência a “uma configuração particular” significa que um elemento particular (isto é, recurso, estrutura, e/ou característica) descrito em conexão com a configuração está incluído em peío menos uma configuração descrita no presente documento e pode ou não estra presente em outras configurações. Além disso, deve ser entendido que os recursos inventivos descritos podem ser combinados de qualquer maneira adequada nas diversas realizações e configurações.

[015] É ilustrado esquematicamente na Figura 1 um motor de turbina a gás 10 que é assimétrico ao redor de um eixo geométrico de linha central longitudinal ou axial 12. O motor inclui em comunicação fluida serial uma ventoinha 14, um compressor axial de múltiplos estágios 16 e um combustor anular 18 seguido, por sua vez, por uma turbina de alta pressão (HPT) e uma turbina de baixa pressão (LPT).

[016] A HPT inclui um bocal de turbina 20 que tem uma fileira de bandas interna e externa de pás ocas de estator em bandas interna e externa de bocais. Uma primeira turbina de estágio 22 segue o primeiro bocal de turbina de estágio e inclui uma lâmina de rotor oco que se estende radialmente para fora a partir de um disco de rotor de suporte e circundada por um reforço de turbina anular. Uma turbina de baixa pressão (LPT) 24 segue a turbina de alta pressão e inclui bocais adicionais e lâminas de rotor que podem ou não incluir circuitos de resfriamento internos, que depende do projeto do motor. Um forro de exaustor 26 segue a turbina de baixa pressão.

[017] Durante a operação, o ar ambiente 28 é pressurizado pela ventoinha 14, e a porção mais baixa da mesma entra no compressor 16 para pressurização adicional, enquanto a porção externa é descarregada a partir de uma saída de ventoinha para fornecer impulso de propulsão em uma aplicação de motor de turbofan. O ar pressurizado no compressor é misturado com p combustível no combustor para gerar gases quentes de combustão 29. Os gases de combustão fluem através das vários estágios de lâmina de turbina que extrai energia dos mesmos para alimentar o compressor e a ventoinha durante a operação.

[018] O motor de turbina a gãs 10 pode incluir inúmeros componentes de caminho de gás quente. Um componente de caminho de gás quente é qualquer componente do motor 10 que é pelo menos parcialmente exposto a um fluxo de gás de alta temperatura através do motor 10. Por exemplo, conjuntos de palhetas (também conhecidos como conjuntos de lâminas ou lâmina), conjuntos de bocais (também conhecidos como conjuntos de pás ou pá), conjuntos de reforço, peças de transição, anéis de retenção e componentes de exaustão de turbina todos são componentes de caminho de gás quente. Entretanto, deve ser entendido que o componente de caminho de gás quente da presente revelação não se limita aos exemplos acima, mas pode ser qualquer componente que seja pelo menos parcialmente exposto a um fluxo de gás de alta temperatura. Adicionalmente, deve ser entendido que o componente de caminho de gás quente da presente revelação não se limita aos componentes no motor de turbina a gás 10, mas podem ser qualquer peça de usinagem ou componente da mesma que possa ser exposto a fluxos de alta temperatura. Quando um componente de caminho de gás quente é exposto a um fluxo de gás quente, o componente de caminho de gás quente é aquecido pelo fluxo de gás quente e pode alcançar uma temperatura na qual o componente de caminho de gás quente é, substancialmente, degradado ou falhe. Assim, a fim de permitir que o motor 10 opere com fluxo de gás quente a uma alta temperatura, conforme requerido para alcançar a eficácia, desempenho e/ou vida útil desejadas do motor 10, um sistema de resfriamento para o componente de caminho de gás quente é necessário.

[019] Qualquer um ou mais dos vários componentes do motor revelados acima que são submetidos ao aquecimento a partir dos gases quentes de combustão 29 podem ser resfriados adequadamente por sangria de uma porção do ar pressurizado a partir do compressor 16 durante a operação. Em conformidade, o motor de turbofan exemplificador 10 ilustrado na Figura 1 pode ter qualquer configuração e operação convencionai, mas é modificado conforme descrito no presente documento para a introdução do resfriamento de película aprimorado.

[020] A respeito disso, qualquer um desses componentes aquecidos que requerem resfriamento incluirá uma parede de metal fina, também denominada no presente documento como substrato, 32, O substrato 32 é tipicamente formado de um metal de superliga convencional, tal como um material com base em cobalto, que tem uma resistência elevada a altas temperaturas experimentadas na operação de um motor de turbina a gás devido ao aquecimento dos gases quentes de combustão 29. Esses componentes quentes são tipicamente ocos e dotados de circuitos de resfriamento adequados nos mesmos que recebem o fluxo de ar de resfriamento pressurizado do compressor que é usado como um refrigerante na redução de suas temperaturas durante a operação.

[021] A porção da parede de componente de caminho de fluxo ou substrato, 32 é ilustrada em parte em vista plana na Figura 1 e inclui superfícies de paredes interna e externa opostas 34, 36 e podem ser no formato dos forros interno e externo de combustor, as pás de bocal de turbina, as bandas de bocal de turbina, as lâminas de rotor de turbina, o reforço de turbina ou o forro de exaustor, para exemplos típicos, que utilizam várias formas de orifícios de resfriamento de película nos mesmos. A superfície interior ou de dentro do substrato forma a ligação exterior de um circuito de resfriamento adequado fornecido no componente que recebe ar sangrado do compressor de qualquer maneira convencional. A superfície externa é exposta aos gases quentes de combustão 29 durante a operação e requer uma proteção de resfriamento de película adequada.

[022] As Figuras 1 a 6 ilustram uma nova forma de orifício de resfriamento de peiícuia 38 disposto em uma fiieira adequada ao longo da extensão aplicávei do componente 30. Os orifícios de resfriamento de película 38 são unicamente identificados por suas configurações angulares compostas do mesmo sinal.

[023] Em geral, o sistema de resfriamento da presente revelação inclui uma serie de pequenos canais de resfriamento ou microcanais, formados na parede de metal fina, também denominada como substrato do componente de caminho de gás quente. O componente de caminho de gás quente pode incluir um ou mais microcanais, também denominados no presente documento como canais de fluxo de resfriamento. Para componentes de turbina de geração de potência de tamanho industriai, dimensões de canal “pequenas” ou “micro” abrangería profundidades e larguras aproximadas na faixa de 0,25 mm a 1,5 mm, enquanto para dimensões de canais de componentes de tamanho de aviação abrangería profundidades e larguras aproximadas na faixa de 0,1 mm a 0,5 mm. Um fluido de resfriamento pode ser fornecido para os canais a partir de uma câmara, e o fluido de resfriamento pode fluir através dos canais, refrigerando o componente de caminho de gás quente. Dessa forma, o fluxo refrigerante é primeiramente usado para refrigerar com direcionamento de ar uma superfície interna do componente de caminho de gás quente e, então, flui através da rede de canais de fluxo (descrita atualmente) antes da descarga a partir de uma ou mais saídas de abastecimento de resfriamento (descrita atualmente) para fornecer resfriamento de película.

[024] Agora com referência à Figura 2, é ilustrado um exemplo de um componente de caminho de gás quente 30 que tem uma configuração de aerofóiio. Conforme indicado, o Gomponente 30 compreende um substrato 32 com uma superfície externa 34 e uma superfície interna 36. Em uma realização, uma ou mais camadas protetoras podem ser dispostas sobre a superfície externa 34 do substrato 32. Se presente, são definidas dentro do substrato 32 e quaisquer camadas protetoras opcionais, porções de um ou mais canais de fluxo de resfriamento 40. A superfície interna 36 do substrato 32 define pelo menos um espaço interior oco 37. Em uma realização alternativa, em vez de um espaço interior oco, o componente de caminho de gás quente 30 pode incluir uma cavidade de abastecimento. Conforme indicado, um ou mais revestimentos podem ser dispostos sobre pelo menos uma porção da superfície externa 34 do substrato 32, que tem definidas no mesmo, porções dos um ou mais canais de fluxo de resfriamento 40 e orifício de resfriamento de películas 38. Em conformidade, cada um dos um ou mais canais de fluxo de resfriamento 40 se estende dentro do substrato 32 e está em comunicação fluída com o pelo menos um espaço interior oco 37 por meio de uma ou mais entradas de abastecimento de resfriamento 42 formadas no substrato 32 na superfície interna 36 para a superfície externa 34, por meio de uma ou mais saídas de abastecimento de resfriamento 44 que define o orifício de resfriamento de películas 38 e uma rede de resfriamento geral 46.

[025] Em uma realização, as entradas de abastecimento de resfriamento 42 e as saídas de abastecimento de resfriamento 44 são configuradas como aberturas distintas e não se estendem pelo comprimento dos respectivos canais de fluxo de resfriamento 40. Como descrito abaixo, os recursos de resfriamento de ângulo composto revelados criam um componente terminado tridimensionai 30 e mais particularmente o aerofólio, que inclui um ou mais canais de fluxo de resfriamento 40 e o orifício de resfriamento de películas 38, em que um ou mais canais de fluxo de resfriamento 40 e o orifício de resfriamento de películas 38 definem a rede de resfriamento 46 para resfriar o componente 30. O método pode resultar em um componente 30 que inclui resfriamento próximo da transpiração sem a necessidade de utilização de materiais porosos de resistência diminuída.

[026] Conforme indicado anteriormente, uma realização exemplificadora fabricada conforme revelado no presente documento, é um aerofólio de turbina a gás, que inclui uma passagem oca interior em comunicação fluida com um ou mais canais de fluxo de resfriamento formado dentro do substrato.

[027] As Figuras 3 a 6 ilustram uma porção de um componente de caminho de gás quente, tal como o componente de caminho de gás quente 30 da Figura 2. Em cada uma das realizações ilustradas, uma ou mais entradas de abastecimento de resfriamento 42, uma ou mais saídas de abastecimento de resfriamento 44 e um ou mais canais de fluxo de resfriamento 40 são ilustrados como formados no substrato 32 e que se estendem a partir da superfície interna 36 para a superfície externa 34 e que têm geometria de ângulo composto complementar entre os pares de orifício de resfriamento de películas e mais particularmente as saídas de abastecimento de resfriamento 44 como descritas atualmente.

[028] Com referência mais especificamente às Figuras 3 e 4, é ilustrada uma realização de uma porção do componente de caminho de gás quente 30, que inclui uma rede ou padrão de canais de fluxo de resfriamento 40, entradas de abastecimento de resfriamento 42 e saídas de abastecimento de resfriamento 44. Em uma realização, a rede ou padrão de canais de fluxo de resfriamento 40 é composta por uma pluralidade de canais de fluxo de resfriamento 40 para transportar um fluxo de resfriamento 50 e mais especificamente um abastecimento de ar comprimido, na mesma O fluxo de resfriamento 50 é descarregado através das pequenas saídas de abastecimento de resfriamento 44 na superfície externa 34 do componente de caminho de gás quente 30. Liberado dessa maneira, o abastecimento de ar e mais particularmente o fluxo de resfriamento 50, formam uma camada fina ou uma película 54 de ar relativamente frio próxima à superfície externa 34 do componente de caminho de gás quente 30, em que ambos resfriam e isolam o componente de caminho de gás quente 30 das temperaturas mais altas que o circundam. Conforme indicado ante rio rmente, interações entre uma corrente livre de gases quentes 52 e as saídas de abastecimento de resfriamento 44 influenciam a eficácia geral da película 54 de ar relativamente frio.

[029] Para melhorar a aerodinâmica do componente de caminho de gás quente 30 e a eficácia da película 54, cada um dos canais de fluxo de resfriamento 40 e suas respectivas entrada de abastecimento de resfriamento 42 e saída de abastecimento de resfriamento 44 é configurado para incluir inúmeras variáveis de projeto. As variáveis de projeto de importância durante o projeto e configuração de cada um dos canais de ffuxo de resfriamento 40 incluem o ângulo de injeção da saída de abastecimento de resfriamento 44 de cada canal de fluxo de resfriamento 40, um ângulo composto para cada um dos canais de fluxo de resfriamento 40, além da localização de sentido da envergadura e de sentido da corrente de uma saída de abastecimento a jusante 44 em relação a uma saída de abastecimento a montante 44 fixada enquanto o fluxo de massa é mantido constante. Conforme usado no presente documento, a1=ângulo de injeção para orifício a montante, cb=ângulo de injeção para orifício a jusante, o Pi=ângulo composto para orifício a montante e o p2=ãnguio composto para orifício a jusante.

[030] Conforme mais bem ilustrado nas Figuras 3 e 4, as saídas de abastecimento de resfriamento 44 são configuradas em pares com uma disposição complementar de ãnguio composto de saldas de abastecimento de resfriamento 44 que resulta em um aumento na eficácia da pelícuia. Mais particularmente, na configuração revelada, uma saída de abastecimento de resfriamento a montante 60 e uma saída de abastecimento de resfriamento a jusante 62 são incluídas em disposição complementar em pares. Em uma realização, as saídas de abastecimento de resfriamento 60, 62 são configuradas em proximidade uma a outra, mais particularmente, em que cada uma das saídas de abastecimento de resfriamento a montante 60 tenha um diâmetro de orifício D1 e cada uma das saídas de abastecimento de resfriamento a jusante 62 tenha um diâmetro de orifício D2. Em uma realização, D1 e D2 são iguais. Em uma realização alternativa, D1 e D2 não são iguais. Aiém disso, a saída de abastecimento a jusante 62 é configurada com base na saída de abastecimento a montante 60 com um espaçamento relacionado à corrente de ΔΧ e um espaçamento latera! de ΔΖ entre a saída de abastecimento de resfriamento a montante 60 e a saída de abastecimento de resfriamento a jusante 62, onde ΔΧ/D está em uma faixa de 2 a 10 e AZJD está em uma faixa de maís ou menos uma metade do espaçamento não dimensionai da saída de abastecimento a montante (± ΛΔ * P/D), na presença de dois ou mais pares de saídas de abastecimento de resfriamento 40 e em que D é igual ao maior de D1 e D2 quando D1 e D2 não são iguais.

[031] Em uma realização, a saída de abastecimento a jusante 62 é configurada em aproximadamente dois diâmetros de orifício em uma direção a jusante “X" a partir da saída de abastecimento a montante 60 e aproximadamente um diâmetro de orifício em uma direção no sentido de pico “Z” a partir da saída de abastecimento a montante 60. Além disso, conforme mais bem ilustrado na Figura 3, cada uma das saídas de abastecimento de resfriamento 44 é configurada de modo que tenha um ângulo de injeção α relativo às superfícies interna e externa 34, 36 do substrato 32.

[032] O ângulo de incidência de cada um dos canais de fluxo de resfriamento 40 e, mais especificamente, cada uma das saídas de abastecimento de resfriamento 60, 62 em relação às superfícies 34 e 36 é ch para a saída de abastecimento a montante 60 e a2 para a saída de abastecimento a jusante 62 e definidos de forma independente. Em uma realização, os componentes de ângulo de injeção ai ea2 estão em uma faixa de 10° a 90° em relação a uma dentre a superfície interna 34 ou a superfície externa 36. Os ângulos transversais compostos da saída de abastecimento a montante 60 e da saída de abastecimento a jusante 62 são definidos de forma independente um do outro, que têm o mesmo sinal e, assim, orientados na mesma direção. Mais especificamente, os ângulos compostos da saída de abastecimento a montante 60 e da saída de abastecimento a jusante 62 são definidos com βι sendo o ângulo transversal composto da saída de abastecimento a montante 60 e β2 sendo o ângulo transversal composto da saída de abastecimento a jusante 62, que tem o mesmo sinal. Em uma realização, os componentes de ângulo transversal βι e β2 estão em uma faixa de -90° a 90° em relação ao eixo geométrico-x. Um valor positive para β significa que a saída é orientada em direção à direita do domínio (z positivo). Um valor negativo para β significa que a saída é orientada em direção à esquerda do domínio (negativo z). Conforme indicado anteriormente, em ambos os casos, as saídas são orientadas na mesma direção, [033] A Figura 4 ilustra uma vista de topo ampliada da configuração da saída de abastecimento de resfriamento, conforme indicado na Figura 3 pela linha pontilhada e, mais particularmente, a saída de abastecimento a montante 60 e a saída de abastecimento a jusante 62 configuradas de modo que β1 e β2 sejam iguais e ajustados a um ângulo de zero em relação a Z. São indicadas pela linha pontilhada na Figura 4 configurações anguiares complementares adicionais para a saída de abastecimento a montante 60 e a saída de abastecimento a jusante 62 configuradas de modo que β1 e β2 não sejam iguais a zero, ainda substancialmente igual e que tenham o mesmo sinal. Conforme ilustrado, cada par dos pares de saídas de abastecimento de resfriamento 44 são configurados de forma que tenham ângulos compostos complementares α e β, onde a1 e a2 são componentes de ângulo de injeção do fluxo de resfriamento 50 descarregado a partir dos pares de saídas de abastecimento de resfriamento 40 medidos em relação às superfícies interna e externa 34, 36 do substrato 32 e β1 e β2 são componentes de ângulo transversal composto do fluxo de resfriamento 50 descarregado a partir dos pares de saídas de abastecimento de resfriamento 40 sobre um plano ao longo da superfície externa 34 e em relação a um eixo geométrico-z alinhado em relação a direção de fluxo da corrente livre de gases quentes 52, e em que os componentes de ângulo transversal β1 e β2 são do mesmo sinal de modo que a saída de abastecimento a montante 60 proteja a saída de abastecimento a jusante 62.

[034] Em uma realização, uma saída de abastecimento a montante, tal como a saída de abastecimento a montante 60, que tem um ângulo de injeção baixo (isto é ou = 25.1) conferirá um efeito de redemoinho significativo à película gerada 54 ou camada de ligação, que permite que as correntes de resfriamento da saída de abastecimento a jusante 62 permaneçam não desviadas peia corrente livre de gases quentes 52. Essas correntes de resfriamento, mostradas como a película 54 na Figura 3, continua a se arrastar através da superfície externa 34 em um ângulo significativo para a corrente principal 52 e fornece o maior grau de fixação para a superfície externa 34 do substrato 32. Essa capacidade de permanecer fixada à superfície externa 34 se correlaciona com uma interferência destrutiva aparente dos pares de vórtices de contrarrotação dos orifícios.

[035] Agora com referência às Figuras 5 a 7» é ilustrada uma realização que ilustra uma porção de um componente de caminho de gás quente 80, em geral, similar ao componente de caminho de gás quente 30 descrito anteriormente. Conforme mais bem ilustrado na Figura 5, o componente de caminho de gás quente 80 inclui um par de saídas de abastecimento de resfriamento 44 e, mais particularmente, uma saída de abastecimento a montante 80 e uma saída de abastecimento a jusante 82, configuradas de forma que tenham ângulos compostos complementares. Os ângulos de incidência das saídas de abastecimento de resfriamento 80, 82 em relação à superfície externa 34 do substrato 32 e mais especificamente cu para a saída de abastecimento a montante 80 e a2 para a saída de abastecimento a jusante 82, foram definidos de forma independente. O ângulo transversal compostos das duas saídas de abastecimento 80, 82 também foram definidas de forma independente uma da outra com β, sendo o ângulo transversa! composto da saída de abastecimento a montante 80 e β2 sendo o ângulo transversal composto da saída de abastecimento a jusante 82; um vaior positivo para β significa que a saída de abastecimento de resfriamento 80, 82 é orientada em direção à direita do domínio (Z positivo). Mais particularmente, na realização ilustrada, a saída de abastecimento a montante 80 é configurada de modo que β1 seja aproximadamente 45° e β2 seja aproximadamente 45°, em que β, e β2 tenham o mesmo sinal e mais especificamente, sejam ambos positivos. Com os ângulos transversais compostos na faixa de graus de 30 a 45, a área média de eficácia da película foi significativamente aumentada, [036] Conforme mais bem ilustrado na Figura 6, a película de resfriamento 54 gerada pelo fluxo de resfriamento 50 que sai da saída de abastecimento de resfriamento a montante 80 fornece projeção à saída de abastecimento de resfriamento a jusante 82. Essa projeção da saída de abastecimento de resfriamento a jusante 82 é fornecida com base na configuração em uma direção similar dos ângulos transversais compostos e. assim, as saídas de abastecimento de resfriamento 80, 82, A projeção da saída de abastecimento de resfriamento 82 para baixo fornece que o refrigerante da saída a jusante permaneça desviado pela corrente livre de gases quentes 52. As correntes de resfriamento geradas continuam a se arrastar através da superfície 34 do substrato 32 em um ângulo significativo para a corrente livre de gases quentes 52 e fornece um grau elevado de fixação à superfície externa 34 do substrato 32, em contraste com quando não é fornecida projeção, tal como quando os ângulos transversais compostos têm sinais opostos. A capacidade de a película 54 e mais especificamente de as correntes de resfriamento permanecerem fixadas à superfície externa 34 se correlaciona com uma interferência destrutiva aparente dos pares de vórtices de contador rotativo das saídas 80, 82.

[037] Em estudos conduzidos, a seguinte faixa de parâmetros geométricos foi utilizada para os ângulos compostos α e β. Além disso, os seguintes parâmetros geométricos foram utilizados para X, Z e D em relação ao espaçamento de saída.

[038] É ilustrada na Figura 7 uma vista esquemática térmica de topo do componente de caminho de gás quente 80. Conforme mostrado, configurando-se as saídas de abastecimento de resfriamento 44, tal como a saída de abastecimento a montante 80 e a saída de abastecimento a jusante 82, em uma disposição complementar, fornece que a saída de abastecimento a jusante 82 seja iocaiizada em uma região não resfriada deixada pela saída de abastecimento a montante 80 que leva ao aumento da cobertura geral de resfriamento. Além disso, pares de vórtices de contador rotativo tipicamente resultam em elevação. Configurando-se as saídas de abastecimento de resfriamento 80, 82 em disposições complementares conforme revelado no presente documento, os pares de contador rotativo interagem e eliminam uma metade de cada par, o que minimiza a mistura e leva a uma película 54 que fixe ou repouse sobre a superfície externa 34 do substrato 32. Este projeto é único no sentido de que fornece essa película melhorada 54, os ângulos compostos para os pares de saídas de abastecimento 80, 82 é do mesmo sinai (na mesma direção).

[039] Beneficamente, o componente de caminho de gás quente descrito acima com recursos de resfriamento de ângulo composto utiliza geometria simples e essencialmente o controle de fluxo para proporcionar maior eficácia de película. Essa geometria simples também fornece um custo benefício potencial em que as saídas e canais são configurados substancialmente como orifícios redondos e. assim, se tornam mais fáceis e menos custosos para fabricar do que os orifícios modelados. A configuração de rede de resfriamento revelada configuração fornece: i) eficácia de película aumentada reduzindo-se a quantidade de resfriamento de película necessária para um componente de caminho de gás quente, tal como um forro de combustor ou uma turbina de aita pressão; ii) consumo de combustível especifico aumentado, aumentando-se a eficácia do motor com uma redução no fluxo de resfriamentos, que leva a motores que queimam menos combustível; iii) custos de fabricação reduzidos em que os orifícios de ângulos compostos, tal como os utilizados para as saídas de abastecimento reveladas são mais fáceis de fabricar do que os orifícios modelados; e iv) menos bloqueio das saídas de abastecimento, em que se mostra que os orifícios modelados entopem em ambientes duros e quentes e orifícios de ângulos compostos cilíndricos/redondos são potencialmente menos propenso ao bloqueio. Em geral, sistema de resfriamento revelado e. mais particularmente, a saída de abastecimento de resfriamento configuração de componente de caminho de gás quente revelada, fornece um resfriamento aprimorado com menos fluxo. O impacto da redução de resfriamento em consumo de combustível específico (SFC) varia para cada motor, mas verificou-se que, em geral, uma redução de 1% em fluxo de resfriamento se correlaciona a aproximadamente 0,25% de aprimoramento de SFC.

[040] Embora apenas determinados recursos da revelação tenham sido ilustrados e descritos no presente documento, muitas modificações e mudanças ocorrerão aos versados na técnica. Deve, portanto, ser entendido que as reivindicações anexas se destinam a cobrir todas essas modificações e alterações abrangidas no verdadeiro espirito da revelação. Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a revelação, que inclui o melhor modo e também para possibilitar que qualquer indivíduo versado na técnica pratique a revelação, incluindo fabricar e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e executar quaisquer métodos incorporados. Os exemplos e realizações representativos fornecidos no presente documento incluem recursos que podem ser combinados um com o outro e com os recursos de outras realizações ou exemplos revelados para formar realizações adicionais que continuam dentro do escopo da presente revelação. O escopo patenteável da revelação é definido pelas reivindicações e podem incluir outros exemplos que ocorram aos versados na técnica. Tais outros exemplos se destinam a estar dentro do escopo das reivindicações se tiverem elementos que não diferem da linguagem literal das reivindicações ou se incluírem elementos equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

Reivindicações

Claims (9)

1. COMPONENTE DE CAMINHO DE GÁS QUENTE (30), caracterizado pelo fato de que compreende: um substrato (32) que tem uma superfície externa (34) exposta a uma corrente de gases quentes (52) e uma superfície interna (36) exposta a um fluxo de resfriamento (50), em que a superfície interna (36) define pelo menos um espaço interior (37); e um ou mais pares de entradas de abastecimento de resfriamento (42) formados na superfície interna (36) do substrato (32) para receber o fluxo de ar de resfriamento (50), um ou mais pares de saídas de abastecimento de resfriamento (44) formados na superfície externa (34) do substrato (32) para descarregar o fluxo de ar de resfriamento (50) e um canal de fluxo de resfriamento (40) que se estende através do dito substrato (32) e entre cada uma das entradas de abastecimento de resfriamento (42) e saídas de abastecimento de resfriamento (44) para permitir a passagem do fluxo de ar de resfriamento (50) a partir das entradas de abastecimento de resfriamento (42) para as saídas de abastecimento de resfriamento (44), em que cada par de um ou mais pares de saídas de abastecimento de resfriamento (44) é configurado de forma que tenha ângulos compostos complementares α e β, onde cq e a2 são componentes de ângulo de injeção do fluxo de resfriamento (50) descarregado a partir de cada par de um ou mais pares de saídas de abastecimento de resfriamento (44) medidos em relação às superfícies interna e externa (34, 36) do substrato (32) e βτ e β2 são componentes de ângulo transversal composto do fluxo de resfriamento (50) descarregado a partir de cada par de um ou mais pares de saídas de abastecimento de resfriamento (44) sobre um plano ao longo da superfície externa (34) e em relação a um eixo geométrico z alinhado em relação à direção de fluxo dos gases quentes externos (52) e em que os componentes de angulo transversal βι e 32são cfo mesmo sinal.

2. COMPONENTE DE CAMINHO DE GÁS QUENTE (30), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um dos canais de fluxo de resfriamento (40) se estende a partir da superfície externa (34) para a superfície interna (36).

3. COMPONENTE DE CAMINHO DE GÁS QUENTE (30), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada par de um ou mais pares de saídas de abastecimento de resfriamento (44) compreende uma saída de abastecimento a montante (60) e uma saída de abastecimento a jusante (62).

4. COMPONENTE DE CAMINHO DE GÁS QUENTE (30), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que cada par de um ou mais pares de saídas de abastecimento de resfriamento (44) é configurado de modo que a saída de abastecimento a montante (60) proteja a saída de abastecimento a jusante (62).

5. COMPONENTE DE CAMINHO DE GÁS QUENTE (30), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que cada uma das saídas de abastecimento de resfriamento a montante (60) tem um diâmetro de orifício D1 e cada uma das saídas de abastecimento de resfriamento a jusante (62) tem um diâmetro de orifício D2 e um espaçamento relacionado à corrente de ΔΧ e um espaçamento lateral de ΔΖ entre a saída de abastecimento de resfriamento a montante (60) e a saída de abastecimento de resfriamento a jusante (62), onde ΔΧ/D está em uma faixa de 2 a 10 e ΔΖ/D está em uma faixa de mais ou menos uma metade do espaçamento não dimensional da saída de abastecimento a montante (± Vi * P/D), na presença de dois ou mais pares de saída de abastecimento de resfriamento (44).

6. COMPONENTE DE CAMINHO DE GÁS QUENTE (30), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os componentes de ângulo transversal βι e β2 estão em uma faixa de -90° a 90°.

7. COMPONENTE DE CAMINHO DE GÁS QUENTE (30), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os componentes de ângulo transversal β1ββ2β§ο iguais.

8. COMPONENTE DE CAMINHO DE GÁS QUENTE (30), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os componentes de ângulo de injeção a- ea2 estão em uma faixa de 10° a 90° em relação a uma dentre a superfície interna (36) ou a superfície externa (34).

9. COMPONENTE DE CAMINHO DE GÁS QUENTE (30), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os componentes de ângulo transversal β< e β2 estão em uma faixa de -45a a 45° e os componentes de ângulo de injeção cp e a2 estão em uma faixa de 25° a 45° em relação a uma dentre a superfície interna (36) ou a superfície externa (34).