BR102015032771A2

BR102015032771A2 - componente de motor

Info

Publication number: BR102015032771A2
Application number: BR102015032771A
Authority: BR
Inventors: Aaron Ezekiel Smith; Robert Frederick Bergholz
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2015-12-29
Publication date: 2016-10-04
Also published as: US20160186660A1; EP3040516A1; CN105736063A; JP2016128687A; CN110359966A; US9777635B2; CA2915460A1

Abstract

componente de motor trata-se de um componente de motor (68) que inclui uma superfície quente (90) em comunicação térmica com uma vazão de gás de combustão quente e uma superfície de resfriamento (104) oposta à superfície quente (90) ao longo da qual um fluido de resfriamento flui. pelo menos um gerador de vórtice (102) é fornecido na superfície de resfriamento (104) e pode induzir um vórtice no fluido de resfriamento em resposta ao contato com o fluido de resfriamento que flui.

Description

“COMPONENTE DE MOTOR” Antecedentes da Invenção [001] Os motores de turbina e, em particular, motores de turbina de combustão ou a gás são motores giratórios que extraem energia a partir de uma vazão de gases queimados que passam através do motor em várias pás de turbina. Os motores de turbina a gás foram usados para locomoção por terra e náutica e geração de potência, mas são mais geralmente usadas para aplicações aeronáuticas como para aeronave, incluindo helicópteros. Na aeronave, os motores de turbina a gás são usados para propulsão da aeronave. Nas aplicações terrestres, os motores de turbina são usados muitas vezes para geração de potência.

[002] Os motores de turbina a gás para aeronave são projetados para operar em altas temperaturas para maximizar a eficiência de motor, portanto, o resfriamento de determinados componentes de motor, como a turbina de alta pressão e a turbina de baixa pressão, pode ser necessário. Tipicamente, o resfriamento é realizado pondo em duto o fluido refrigerador a partir dos compressores de alta e/ou baixa pressão para os componentes de motor que exigem resfriamento. As temperaturas na turbina de alta pressão estão ao redor de 1.000 °C a 2.000 °C e o fluido de resfriamento a partir do compressor está ao redor de 500 °C a 700 °C. Embora o ar de compressor tenha uma temperatura alta, é refrigerador em relação á turbina ar e pode ser usada para resfriar a turbina.

[003] As cavidades interiores de componentes de motor que recebem fluido de resfriamento foram dotadas de turbuladores a fim de gerar turbulência no fluido de resfriamento e melhorar a transferência de calor.

Descrição Resumida da Invenção [004] A invenção refere-se a um componente de motor para um motor de turbina a gás que gera uma vazão de gás de combustão quente.

[005] Em um aspecto, a invenção refere-se a um componente de motor que tem uma superfície quente em comunicação térmica com a vazão de gás de combustão quente, uma superfície de resfriamento oposta à superfície quente e que define uma área de resfriamento que tem uma largura de corte transversal ao longo da qual um fluido de resfriamento flui em uma direção de vazão e pelo menos um gerador de vórtice que se estende a partir da superfície de resfriamento e localizada na área de resfriamento e que tem um comprimento de corpo, uma largura de corpo e um eixo geométrico de corpo. O comprimento de corpo é maior que a largura de corpo e se estende ao longo do eixo geométrico de corpo. O eixo geométrico de corpo é substancialmente alinhado à direção de vazão. A largura de corpo é inferior à largura de corte transversal da área de resfriamento. O gerador de vórtice é formado para induzir um vórtice no fluido de resfriamento em resposta ao contato com o fluido de resfriamento que flui.

[006] Em outro aspecto, a invenção refere-se a um componente de motor que tem uma cavidade pelo menos que define parcialmente uma superfície de resfriamento ao longo da qual um fluido de resfriamento flui em uma direção de vazão, a cavidade que tem um comprimento, uma largura de corte transversal e uma altura de corte transversal, em que o comprimento é maior que a largura de corte transversal, uma superfície quente oposta á superfície de resfriamento, em comunicação térmica com a vazão de gás de combustão quente e pelo menos um gerador de vórtice que se estende a partir da superfície de resfriamento e que tem um comprimento de corpo, uma largura de corpo, uma altura de corpo e um eixo geométrico de corpo. O comprimento de corpo é maior que a largura de corpo e se estende ao longo do eixo geométrico de corpo. O eixo geométrico de corpo é substancialmente alinhado á direção de vazão. O comprimento de corpo é de 5 a 15% do comprimento da cavidade. A largura de corpo é de 10 a 35% da largura de corte transversal da cavidade. A altura de corpo é de 25 a 75% da altura de corte transversal da cavidade.

Breve Descrição das Figuras [007] Nos desenhos: [008] A Figura 1 é um diagrama esquemático em corte transversal de um motor de turbina a gás para uma aeronave.

[009] A Figura 2 é uma vista de seção lateral de um combustor e turbina de alta pressão do motor a partir da Figura 1.

[010] A Figura 3 é uma vista em perspectiva de um componente de motor na forma de uma pá de turbina do motor da Figura 1.

[011] A Figura 4 é uma vista em corte transversal da pá de turbina tomada ao longo da linha IV-IV da Figura 3.

[012] A Figura 5 é uma vista aumentada de uma passagem de resfriamento da pá de turbina a partir da Figura 4.

[013] A Figura 6 é uma vista em perspectiva ampliada de uma passagem de resfriamento da pá de turbina da Figura 4.

[014] A Figura 7 é uma vista em perspectiva de uma porção do interior da passagem de resfriamento da Figura 6, com uma parede da passagem de resfriamento removida para esclarecer a exibição de geradores de vórtice.

[015] A Figura 8 é uma vista superior que mostra algumas orientações exemplificativas para os geradores de vórtice dentro da passagem de resfriamento da Figura 7.

[016] A Figura 9 é uma vista em corte transversal tomada ao longo da linha VIII-VIII da Figura 7.

[017] As Figuras 10 a 11 mostram uma comparação de passagens de resfriamento dotadas dos geradores de vórtice da Figura 7 e com turbuladores convencionais.

[018] A Figura 12 é uma vista em perspectiva que mostra realizações adicionais de geradores de vórtice.

Descrição das Realizações da Invenção [019] As realizações descritas da presente invenção são direcionadas para resfriamento de um componente de motor, em particular, em um motor de turbina. Para fins de ilustração, a presente invenção será descrita em relação a uma aeronave motor de turbina a gás de aeronave. Deve-se compreender, no entanto, que a invenção não é limitada ao mesmo e pode ter aplicabilidade geral em aplicações de não aeronave, como outras aplicações móveis e aplicações residenciais, comerciais e industriais não móveis.

[020] A Figura 1 é um diagrama em corte transversal esquemático de um motor de turbina a gás 10 para uma aeronave. O motor 10 tem um eixo geométrico que se estende em geral longitudinalmente ou uma linha central 12 que se estende para frente 14 até a parte posterior 16. O motor 10 inclui, na relação de vazão em série a jusante, uma seção de hélice 18 que inclui uma hélice 20, uma seção de compressor 22 que inclui um intensificador ou compressor 24 de baixa pressão (LP) e um compressor 26 de alta pressão (HP), uma seção de combustão 28 que inclui um combustor 30, uma seção de turbina 32 que inclui uma turbina de HP 34 e uma turbina de LP 36 e uma seção de escape 38.

[021] A seção de hélice 18 inclui um invólucro de hélice 40 que circunda a hélice 20. A hélice 20 inclui uma pluralidade de pás de hélice 42 dispostas radialmente em torno da linha central 12.

[022] O compressor de HP 26, o combustor 30 e a turbina de HP 34 formam um núcleo 44 do motor 10 que gera gases de combustão. O núcleo 44 é circundado por um invólucro de núcleo 46 que pode ser acoplado ao invólucro de hélice 40.

[023] Um eixo ou rotor de HP 48 disposto de forma coaxial sobre a linha central 12 do motor 10 que conecta de maneira impulsora a turbina de HP 34 ao compressor de HP 26. Um eixo ou rotor de LP 50 que está disposto de forma coaxial sobre a linha central 12 do motor 10 dentro do rotor de HP com diâmetro anular maior 48 conecta de maneira impulsora a turbina de LP 36 ao compressor de LP 24 e à hélice 20.

[024] O compressor de LP 24 e o compressor de HP 26 incluem, respectivamente, uma pluralidade de estágios de compressor 52, 54 em que um conjunto de pás de compressor 56, 58 gira em relação a um conjunto de palhetas de compressor estáticas correspondentes 60, 62 (também chamadas de um bocal) para comprimir ou pressurizar o fluxo de fluido que passa através do estágio. Em um único estágio de compressor 52, 54, múltiplas pás de compressor 56, 58 podem ser fornecidas em um anel e podem se estender radialmente para fora em relação à linha central 12, a partir de uma asa de pá a uma ponta de pá, enquanto as palhetas de compressor estáticas correspondentes 60, 62 são posicionadas a jusante e adjacentes ás pás de rotação 56, 58. Observa-se que o número de pás, palhetas e estágios de compressor mostrados na Figura 1 foi selecionado para fins ilustrativos apenas e que outros números são possíveis.

[025] A turbina de HP 34 e a turbina de LP 36 incluem, respectivamente, uma pluralidade de estágios de turbina 64, 66, em que um conjunto de pás de turbina 68, 70 é girado em relação a um conjunto de palhetas de turbina estáticas correspondentes 72, 74 (também chamadas de um bocal) para extrair energia do fluxo de fluido que passa através do estágio. Em um único estágio de turbina 64, 66, múltiplas pás de turbina 68, 70 podem ser fornecidas em um anel e podem se estender radialmente para fora em relação à linha central 12, a partir de uma asa de pá para uma ponta de pá, enquanto as palhetas de turbina estáticas correspondentes 72, 74 são posicionadas a montante e as pás de rotação adjacentes 68, 70. Observa-se que ο número de pás, palhetas e estágios de compressor mostrados na Figura 1 foi selecionado para fins ilustrativos apenas e que outros números são possíveis.

[026] Na operação, a hélice de rotação 20 fornece ar ambiente para o compressor de LP 24 que fornece ar ambiente pressurizado para o compressor de HP 26 que pressuriza, adicionalmente, o ar ambiente. O ar pressurizado a partir do compressor de HP 26 é misturado com combustível no combustor 30 e inflamado, gerando, assim, gases de combustão. Um pouco de trabalho é extraído desses gases pela turbina de HP 34 que aciona o compressor de HP 26. Os gases de combustão são descarregados na turbina de LP 36 que extrai trabalho adicional para acionar o compressor de LP 24 e o gás de escape é descarregado finalmente a partir do motor 10 através da seção de escape 38. O acionamento da turbina de LP 36 aciona o rotor de LP 50 para girar a hélice 20 e o compressor de LP 24.

[027] Um pouco do ar ambiente fornecido pela hélice 20 pode contornar o núcleo de motor 44 e ser usado para resfriamento de porções, especialmente porções quentes, do motor 10 e/ou usado para resfriar ou potencializar outros aspectos da aeronave. No contexto de um motor de turbina, as porções quentes do motor estão normalmente a jusante do combustor 30, especialmente a seção de turbina 32, em que a turbina de HP 34 é a porção mais quente visto que está diretamente a jusante da seção de combustão 28. Outras fontes de fluido de resfriamento podem ser, mas não são limitadas a fluido descarregado a partir do compressor de LP 24 ou o compressor de HP 26.

[028] A Figura 2 é uma vista de seção lateral do combustor 30 e da turbina de HP 34 do motor 10 a partir da Figura 1. O combustor 30 inclui um defletor 76 e uma camisa de combustor 77. Adjacente á pá de turbina 68 da turbina 34 na direção axial são conjuntos de palhetas de turbina estáticas 72, em que as palhetas adjacentes 72 formam bocais entre as mesmas. Os bocais viram o gás de combustão, de modo que a energia máxima pode ser extraída pela turbina 34. Uma vazão de fluido de resfriamento C passa através das palhetas 72 para resfriar as palhetas 72 à medida que o gás de combustão quente H passa ao longo do exterior das palhetas 72. Um conjunto de sustentação 78 é adjacente á pá de rotação 68 para minimizar perda de vazão na turbina 34. Os conjuntos de sustentação semelhantes também podem ser associados à turbina de LP 36, ao compressor de LP 24 ou ao compressor de HP 26.

[029] Um ou mais dos componentes de motor do motor 10 têm uma superfície em que várias realizações de resfriamento reveladas adicionalmente no presente documento podem ser utilizadas. Alguns dos exemplos não limitantes do componente de motor que têm uma superfície resfriada podem incluir aerofólios como as pás 68, 70, palhetas ou bocais 72, 74, o defletor de combustor 76, a camisa de combustor 77 ou o conjunto de sustentação 78 descrito nas Figuras 1 a 2.

[030] A Figura 3 é uma vista em perspectiva de um componente de motor na forma de uma das pás de turbina 68 do motor 10 a partir da Figura 1. A pá de turbina 68 inclui uma haste 80 e uma pá de aerofólio 82. A haste 80 inclui adicionalmente uma asa de pá 84 que ajuda radialmente a conter a vazão de ar de turbina e uma cauda de andorinha 86 que fixa a um disco de rotor de turbina (não mostrada). A pá de aerofólio 82 tem um lado de pressão com formato côncavo 88 e um lado de sucção com formato convexo 90 que são unidos um ao outro para definir um formato de aerofólio. Um eixo geométrico longitudinal 92 se estende radialmente para fora em direção a uma ponta de pá 94 e radialmente para dentro em direção a uma raiz de pá 96 que é fixada à haste 80. A pá 68 gira em uma direção, de modo que o lado de pressão 88 siga o lado de sucção 90. Desse modo, conforme mostrado na Figura 3, a pá 68 giraria na página.

[031] A Figura 4 é uma vista em corte transversal da pá de aerofólio 82 da pá de turbina 68, tomada ao longo da linha IV-IV da Figura 3. A pá de aerofólio 82 inclui uma pluralidade de cavidades internas que se estendem em geral longitudinalmente na forma de passagens de resfriamento 98 que direcionam uma vazão de fluido de resfriamento através das mesmas. As passagens de resfriamento 98 podem ser interconectadas para definir pelo menos uma porção de um circuito refrigerante através da pá 68. Será observado na Figura 4 que cada uma das passagens de resfriamento 98 pode ter um corte transversal exclusivo que está na faixa substancialmente retangular quase trapezoidal, embora o corte transversal dessas passagens de resfriamento 98 pode ter qualquer formato. Durante a operação, o circuito refrigerante recebe fluido de resfriamento a partir de uma entrada na haste 80 e, após o curso através das passagens de resfriamento 98, o fluido de resfriamento sai da pá de aerofólio 82 através de orifícios de filme.

[032] De acordo com uma realização da presente invenção, pelo menos um gerador de vórtice 102 é fornecido dentro de pelo menos uma das passagens de resfriamento 98. O gerador de vórtice 102 pode se estender a partir de uma superfície de resfriamento da passagem de resfriamento 98 para induzir um vórtice, em fluido de resfriamento que flui através da passagem de resfriamento 98. Na Figura 4, apenas uma passagem de resfriamento 98 é mostrada tendo um gerador de vórtice 102, embora se compreenda que mais ou todas as passagens de resfriamento 98 podem ser dotadas de geradores de vórtice 102. Adicionalmente, embora os geradores de vórtice 102 sejam mostrados no lado de sucção 90 da pá de aerofólio 82, compreende-se que os geradores de vórtice 102 podem ser fornecidos em uma parede interior ou no lado de pressão 88 da pá de aerofólio 82.

[033] A Figura 5 é uma vista aumentada de uma das passagens de resfriamento 98 a partir da Figura 4. O gerador de vórtice 102 pode se estender a partir de uma superfície de resfriamento da passagem de resfriamento 98 para induzir um vórtice, geralmente indicado por setas na Figura 5, no fluido de resfriamento que flui através da passagem de resfriamento 98, em resposta ao contato com o fluido de resfriamento que flui. Conforme observado acima, a passagem de resfriamento 98 pode ter vários formatos em corte transversal; conforme mostrado e descrito, a presente passagem de resfriamento 98 é substancialmente quadrilateral em formato com quatro paredes laterais 104, 106, 108, 110 definindo o formato em corte transversal. No presente exemplo, a primeira parede 104 pode ser definida pelo lado de sucção 90 da pá 68, em que o lado de sucção 90 define uma superfície quente da pá 68 que está em comunicação térmica com uma vazão de gás de combustão quente e o interior das paredes 104, 106, 108, 110 que definem uma superfície de resfriamento da pá 68 que é oposta à superfície quente ao longo da qual o fluido de resfriamento flui. No caso de um motor de turbina a gás, a superfície quente pode ser exposta a gases que têm temperaturas na faixa de 1.000 °C a 2.000 °C. Os materiais adequados para as paredes 104, 106, 108, 110 incluem, porém não se limitam a aço, metais refratários como titânio ou superligas com base em níquel, cobalto ou ferro e compostos de matriz de cerâmica.

[034] O gerador de vórtice 102 é fornecido em uma ou mais paredes 104, 106, 108, 110 da passagem de resfriamento 98. Na realização ilustrada, o gerador de vórtice 102 é fornecido na parede interior 104 que é diametralmente oposta ao lado de sucção 90, em que a parede interior 104 define uma área de resfriamento em que o gerador de vórtice 102 está localizado. Compreende-se que os geradores de vórtice 102 podem estar em combinação com as paredes 104, 106, 108, 110 da passagem de resfriamento 98 também.

[035] A Figura 6 é uma vista em perspectiva da Figura 5. Os geradores de vórtice 102 podem ter um corpo tridimensional 112 que tem um comprimento de corpo LI, uma largura de corpo W1 e uma altura de corpo H1. O corpo 112 define um eixo geométrico de corpo X e o comprimento de corpo LI pode ser medido ao longo do eixo geométrico de corpo X. A largura de corpo W1 pode ser medida perpendicularmente ao eixo geométrico de corpo X. A altura de corpo H1 pode ser medida a partir da parede interior 104.

[036] A passagem de resfriamento 98 pode ter uma largura de corte transversal W2 e uma altura de corte transversal H2. A largura de corte transversal W2 pode ser medida entre as paredes 104, 106, enquanto que a altura de corte transversal H2 pode ser medida entre as paredes 108, 110.

[037] O corpo 112 do gerador de vórtice 102 pode variar de contorno. Conforme ilustrado, o corpo 112 tem uma superfície de ataque 114, uma superfície de fuga 116 e superfícies laterais opostas 118 que unem as superfícies de ataque e de fuga 114, 116. As superfícies laterais 118 podem ser unidas adicionalmente por uma superfície de topo 120. Na realização ilustrada, o corpo 112 é contornado, de modo que as superfícies laterais 118 se afunilem uma em direção a outra em direção à superfície de topo 120. As superfícies laterais 118 podem ser substancialmente idênticas, de modo que o corpo 112 seja simétrico quando visto de embaixo do eixo geométrico de corpo X ou podem ser diferentes, de modo que o corpo 112 seja assimétrico quando visto embaixo do eixo geométrico de corpo X. Também, as superfícies de ataque e de fuga 114, 116 podem ser substancialmente idênticas, de modo que o corpo 112 seja simétrico ao longo do eixo geométrico de corpo X ou podem ser diferentes, de modo que o corpo 112 seja assimétrico ao longo do eixo geométrico de corpo X.

[038] Para o corpo ilustrado 112, o comprimento de corpo LI é definido pela distância entre as superfícies de ataque e de fuga 114, 116, a largura de corpo W1 é definida pela distância entre as superfícies laterais 118 e a altura de corpo H1 é definida como a distância da parede interior 104 para a superfície de topo 120. Mais especificamente, o comprimento de corpo LI pode ser a distância máxima entre as superfícies de ataque e de fuga 114, 116, a largura de corpo W1 pode ser a distância máxima entre as superfícies laterais 118 e a altura de corpo H1 pode ser a distância máxima a partir da parede interior 104 até a superfície de topo 120.

[039] Observa-se que a passagem de resfriamento 98 pode incluir múltiplos geradores de vórtice 102; na realização ilustrada, dois geradores de vórtice lado a lado 102 são mostrados. Nas realizações em que múltiplos geradores de vórtice 102 são fornecidos em uma passagem de resfriamento 98, os geradores de vórtice 102 podem ter, cada um, uma altura de corpo substancialmente constante H1, de modo que se estendam na passagem de resfriamento 98 uma quantidade substancialmente constante. Também, esses geradores de vórtice 102 têm um comprimento de corpo LI, largura de corpo substancialmente constante W1, corpo orientação e/ou contorno. Alternativamente, os geradores de vórtice 102 podem ser diferentes entre si em um ou mais desses aspectos.

[040] A Figura 7 é uma vista em perspectiva de uma porção do interior da passagem de resfriamento 98, em que uma parede 106 define a passagem de resfriamento 98 removida por questões de clareza. A passagem de resfriamento 98 pode incluir múltiplos geradores de vórtice 102 localizados dentro da área de resfriamento definida pela passagem 98 e arranjada ao longo do comprimento da passagem 98. A passagem de resfriamento 98 tem, adicionalmente, um comprimento de passagem L2. O comprimento de passagem L2 pode ser medido na direção de vazão do fluido de resfriamento através da passagem de resfriamento 98, geralmente indicada pela seta C. Na presente realização, a passagem de resfriamento 98 é alongada, de modo que ο comprimento de passagem L2 seja maior que a largura de corte transversal W2, bem como a altura de corte transversal H2 (consulte a Figura 6); observa-se que a altura global H2 da passagem de resfriamento 98 não é mostrada na Figura 7.

[041] Com referência às Figuras 5 e 6, o formato do gerador de vórtice 102, incluindo a orientação e as dimensões do gerador de vórtice 102 relativas à passagem de resfriamento 98, geram impacto no desempenho do gerador de vórtice 102, induzindo vórtices no fluido de resfriamento. Por exemplo, o gerador de vórtice 102 pode ser alongado adicionalmente na direção de vazão C, de modo que o comprimento de corpo L1 seja maior que a largura de corpo W1. Ainda adicionalmente, o gerador de vórtice 102 não transpõe a área de resfriamento, de modo que a largura de corpo W1 do gerador de vórtice 102 seja inferior à largura de corte transversal W2 da passagem de resfriamento 98. Da mesma forma, a altura de corpo H1 do gerador de vórtice 102 é inferior à altura de corte transversal H2 da passagem de resfriamento 98.

[042] Em uma realização mais específica, o gerador de vórtice 102 pode ter uma altura de corpo H1 que é de 20 a 75% da altura de corte transversal H2 da passagem de resfriamento 98, um comprimento de corpo LI que é de 5 a 15% do comprimento da passagem de resfriamento 98, uma largura de corpo W1 que é de 10 a 35% da largura de corte transversal W2 da passagem de resfriamento 98 ou qualquer combinação dessas dimensões. Um gerador de vórtice dentro dessas faixas pode gerar vórtices suficientes na vazão de resfriamento para aumentar a transferência de calor, enquanto evita perdas de alta pressão e de modo local números altos de Mach. Observa-se que essas dimensões representam uma pá de turbina de motor de aeronave e que as dimensões podem variar em outras aplicações dos geradores de vórtice.

[043] A Figura 8 é uma vista superior que mostra algumas orientações exemplificativas para o gerador de vórtice 102 dentro da passagem de resfriamento 98. Em cada exemplo ilustrado, os geradores de vórtice 102 são arranjados em duas fileiras que se estendem substancialmente na mesma direção da direção de vazão C, em que cada fileira tem múltiplos geradores de vórtice 102. No entanto, em outros exemplos, a passagem de resfriamento 98 pode ser dotada de mais ou menos fileiras de geradores de vórtice 102.

[044] No primeiro exemplo ilustrado (a) que é o mesmo, conforme mostrado nas Figuras 5 e 6, os geradores de vórtice 102 podem ser orientados substancialmente em linha com a direção de vazão C, de modo que o eixo geométrico de corpo X possa ser substancialmente alinhado à direção de vazão C. Por “substancialmente alinhado”, o eixo geométrico de corpo X pode ser deslocado em 15 graus ou menos da direção de vazão C. Mais especificamente, no exemplo (a), o eixo geométrico de corpo X é paralelo À direção de vazão C, em outras palavras, o eixo geométrico de corpo X é deslocado em 0 graus da direção de vazão C. Como tal, os geradores de vórtice 102 em uma única fileira encontram-se ao longo de eixos geométricos de corpo colineares X. Adicionalmente, os geradores de vórtice 102 em fileiras diferentes são alinhados entre si.

[045] No segundo exemplo ilustrado (b), o eixo geométrico de corpo X de cada gerador de vórtice 102 é paralelo à direção de vazão C, mas são escalonados ao longo da direção de vazão C, de modo que os geradores de vórtice alternativos 102 em uma única fileira se encontrem ao longo de eixos geométricos de corpo paralelos, porém não colineares X. Como tal, as fileiras são escalonada uma em relação a outra em uma direção substancialmente perpendicular á direção de vazão C. Os geradores de vórtice 102 em fileiras diferentes são alinhados entre si.

[046] No terceiro exemplo ilustrado (c), o eixo geométrico de corpo X de cada gerador de vórtice 102 é deslocado em aproximadamente 10 graus da direção de vazão C. Como tal, cada gerador de vórtice 102 em uma única fileira encontra-se ao longo de eixos geométricos de corpo paralelos, porém não colineares X. Adicionalmente, os geradores de vórtice 102 em fileiras diferentes são alinhados entre si; no entanto, o eixo geométrico de corpo X do gerador de vórtice 102 em uma fileira não é paralelo ao eixo geométrico de corpo X do gerador de vórtice alinhado 102 na outra fileira.

[047] No quarto exemplo ilustrado (d), o eixo geométrico de corpo X de cada gerador de vórtice 102 é paralelo à direção de vazão C e os geradores de vórtice 102 são alinhados ao longo da direção de vazão C ao longo de eixos geométricos de corpo colineares X, mas os geradores de vórtice 102 em fileiras diferentes são escalonados ao longo da direção de vazão C, de modo que as fileiras sejam deslocadas entre si.

[048] A Figura 9 é uma vista em corte transversal dos geradores de vórtice 102 tomada ao longo da linha VIII-VIII da Figura 7. A superfície de ataque 114 está voltada a montante para a direção de vazão Cea superfície de fuga 116 está voltada a jusante para a direção de vazão C. As superfícies de ataque e de fuga 114, 116 se estendem a partir da parede 104 em um ângulo para cobrir com a superfície de topo 120. Na realização ilustrada, o corpo 112 tem um formato de aerofólio e é contornado, de modo que o ângulo definido pela superfície de ataque 114 seja mais inclinado que o ângulo definido pela superfície de fuga 116.

[049] Na técnica para resfriar componentes de motor, as patentes da técnica anterior reuniram os termos geradores de vórtice e turbuladores, mesmo quando nos momentos em que isso não deveria ter sido feito. Para fins dessa revelação, é importante esclarecer a diferença entre geradores de vórtice e turbuladores e a fim de definir corretamente um gerador de vórtice, pois essa revelação é voltada para os geradores de vórtice e não para turbuladores. As Figuras 10 a 11 mostram uma comparação de uma passagem de resfriamento 98 dotada dos geradores de vórtice 102 com uma passagem de resfriamento 98 dotada de turbuladores convencionais 122, respectivamente. Os turbuladores 122 são tipicamente retangulares, são orientados através da passagem de resfriamento 98 e são separados na direção de vazão de fluido de resfriamento. Na presente realização, os turbuladores 122 são perpendiculares à direção de vazão, mas também podem estar em um ângulo para a direção de vazão, como 45 graus. Os geradores de vórtice 102 podem aumentar a área de superfície de transferência de calor interna SA em comparação aos turbuladores 122. A área de superfície de transferência de calor SA pode ser definida como a área de superfície da superfície de resfriamento na passagem de resfriamento 98; na presente realização, a área de superfície de transferência de calor SA está na área de superfície combinada das paredes 104, 106, 108, 110 e na área de superfície dos geradores de vórtice ou turbuladores 122. Para fins de ilustração, cada passagem 98 é mostrada nas Figuras 10 a 11 com uma linha pontinha que indica geralmente a área de superfície de transferência de calor SA, embora se compreenda que o corte transversal não mostra toda a área de superfície de transferência de calor SA das passagens 98. A área de superfície de transferência de calor maior SA fornecida pelos geradores de vórtice 102 produz um desempenho de transferência de calor maior do que os turbuladores 122.

[050] As passagens de resfriamento 98 definem, adicionalmente, uma área de vazão FA, em que a área de vazão FA é a área em corte transversal aberta da passagem de resfriamento 98 através da qual o fluido de resfriamento pode fluir. Para fins de ilustração, cada passagem 98 é mostrada nas Figuras 10 a 11 com um padrão pontilhado que indica geralmente a área de vazão FA. No exemplo ilustrado no presente documento, a passagem de resfriamento 98 que contém os geradores de vórtice 102 tem a mesma área de vazão FA que a passagem de resfriamento 98 que contém os turbuladores 122, no entanto, a área de superfície de transferência de calor SA para a passagem de resfriamento 98 com os geradores de vórtice 102 pode ser 40 a 60% maior que a área para os turbuladores 122, pois a orientação axial dos geradores de vórtice 102 permite maior penetração dos geradores de vórtice 102 na vazão de fluido de resfriamento. Os turbuladores 122 não podem ser configurados para se adaptar à penetração dos geradores de vórtice 102, pois isso causaria um impacto na área de vazão FA.

[051] Os turbuladores 122 aumentam os coeficientes de transferência de calor dentro da passagem de resfriamento 98 principalmente mantendo a turbulência do ar de resfriamento á medida que flui em cada um dos turbuladores 122. Como os turbuladores 122 são geralmente transversais à direção de vazão, as partículas na vazão de resfriamento tendem a coletar em regiões de vazão de circulação apenas a montante e a jusante dos turbuladores 122. Os geradores de vórtice 102, em contraste aos turbuladores 122, tendem a aumentar os coeficientes de transferência de calor gerando vórtices que se estendem a jusante com a vazão de resfriamento. As partículas incorporadas à vazão de resfriamento tendem a seguir as linhas de fluxo dos vórtices e não se acumulam como nos turbuladores. Adicionalmente, os geradores de vórtice 102 não são geralmente transversais á vazão de ar de resfriamento, o que diminui, adicionalmente, a probabilidade de quaisquer partículas incorporadas se acumularem em regiões específicas. Finalmente, os geradores de vórtice 102 tendem a ter um formato mais aerodinâmico com o eixo geométrico de corpo geralmente paralelo á vazão de ar de resfriamento. O contorno de corpo do gerador de vórtice também pode gerar impacto no desempenho do gerador de vórtice.

[052] O contorno de corpo do gerador de vórtice também pode gerar impacto no desempenho do gerador de vórtice. Alguns exemplos não limitantes de contornos de corpo diferentes para geradores de vórtice, de acordo com as realizações adicionais da invenção, são mostrados na Figura 12. O contorno de corpo de um gerador de vórtice pode ser definido por seu formato em corte transversal e/ou sua forma plana. O formato em corte transversal pode ser visto em um plano ortogonal ao eixo geométrico de corpo X do gerador de vórtice. A asa é o contorno do gerador de vórtice, conforme visto a partir de cima de uma superfície de resfriamento 124 de um componente de motor 126 a partir do qual os geradores de vórtice se projetam. Compreende-se que as dimensões e orientações dos geradores de vórtice mostradas na Figura 12 pode se conformar com aquelas discutidas acima com referência às Figuras 5 a 9 ou podem ser diferentes. Adicionalmente, conforme discutido acima em relação à Figura 2, o componente de motor pode compreender um dentre um aerofólio, um bocal, uma pá, uma palheta, uma sustentação, uma camisa de combustor ou um defletor de combustor.

[053] Alguns exemplos não limitantes de formatos em corte transversal incluem formato retangular, triangular e trapezoidal e podem ser pelo menos parcialmente definidos pelo formato das superfícies de ataque e de fuga do gerador de vórtice. Alguns exemplos não limitantes de formatos para as superfícies de ataque e de fuga incluem inclinado, cuneiforme ou arredondando. Por exemplo, as superfícies de ataque de geradores de vórtice, 136, 140, 142 são inclinadas; aquelas dos geradores de vórtice 130, 132, 134, 138 são cuneiformes e aquelas dos geradores de vórtice 144, 148 são arredondadas. Por exemplo, as superfícies de ataque de geradores de vórtice, 136, 140, 142 são inclinadas; aquelas dos geradores de vórtice 130, 132, 134, 138 são cuneiformes e aquelas dos geradores de vórtice 144, 148 são arredondadas. As superfícies inclinadas, cuneiformes ou arredondadas ajudam a manter uma alta velocidade de fluido de resfriamento ao longo da superfície de resfriamento 124, o que pode reduzir a tendência para acumular poeira na superfície de resfriamento 124.

[054] Alguns exemplos não limitantes de asas incluem formato retangular, trapezoidal, de diamante, pipa, lágrima, oval, elíptico, pentagonal, hexagonal e heptagonal. Por exemplo, o gerador de vórtice 128 tem uma asa geralmente trapezoidal, os geradores de vórtice 130, 134 têm uma asa geralmente pentagonal, o gerador de vórtice 132 tem uma asa geralmente hexagonal, os geradores de vórtice 136, 142 têm uma asa geralmente heptagonal, o gerador de vórtice 138 tem uma asa geralmente em forma de pipa, o gerador de vórtice 140 tem uma asa geralmente retangular, o gerador de vórtice 144 tem uma asa geralmente em forma de lágrima e o gerador de vórtice 146 tem uma asa geralmente elíptica.

[055] Em uma realização, o gerador de vórtice 138 que tem uma asa geralmente em forma de pipa com uma superfície de ataque cuneiforme e uma superfície de fuga inclinada permite que os vórtices menores se iniciem na superfície de ataque e cresçam ao longo das paredes laterais divergentes e expandidas que cruzam a superfície de resfriamento 124. A asa em forma de pipa apresenta um distúrbio inicial pequeno para a vazão de fluido de resfriamento que cresce naturalmente como um vórtice em ambas as paredes laterais.

[056] Em qualquer uma das realizações acima, compreende-se que, embora os desenhos possam mostrar os geradores de vórtice que têm cantos, bordas e/ou transições afiadas com a superfície de resfriamento para fins de ilustração, pode ser mais prático que os cantos, bordas e/ou transições sejam suavemente arredondados ou filetados. Ademais, as realizações dos geradores de vórtice ilustradas como tendo cantos, bordas e/ou transições suavemente arredondados ou filetados com a superfície de resfriamento podem ter, ao contrário, cantos, bordas e/ou transições afiadas.

[057] Em qualquer uma das realizações acima, embora os geradores de vórtice sejam mostrados principalmente em uma superfície que define a área de resfriamento, a localização dos geradores de vórtice não é limitada a isso. Os geradores de vórtice podem estar localizados em múltiplas superfícies que definem a área de resfriamento. Por exemplo, podem estar localizados em superfícies opostas, superfícies adjacentes ou em todas as superfícies. Os geradores de vórtice também podem estar localizados em uma superfície que se estende nas ou a partir das superfícies que definem a área de resfriamento. Os geradores de vórtice não são limitados a estarem localizados nas superfícies que definem a área de resfriamento. Alguns dos geradores de vórtice podem tanto estar em uma área que não define a área de resfriamento como na área de resfriamento, por exemplo.

[058] As várias realizações de sistemas, métodos e outros dispositivos relacionados à invenção reveladas no presente documento apresentam resfriamento aprimorado para componentes de motor de turbina. Uma vantagem que pode ser realizada na prática de algumas realizações dos sistemas descritos é que os geradores de vórtice são fornecidos para as paredes e/ou cavidades interiores de componentes de motor a fim de aprimorar o resfriamento do componente de motor. Os geradores de vórtice induzem vórtices fortes na vazão de fluido de resfriamento, o que, por sua vez, produz alto aumento de coeficiente de transferência de calor interna, adicionalmente ao fornecimento de uma área de transferência de calor interna grande. Essa eficácia pode aumentar o tempo-na-asa (TOW) para o motor de turbina e a vida útil dessas partes pode ser aumentada.

[059] Em uma vantagem adicional da invenção, os geradores de vórtice podem ser usados ao invés de turbuladores convencionais e podem produzir coeficientes de transferência de calor interna comparáveis a turbuladores convencionais, mas com aprimoramento de área lateral muito mais refrigerante.

[060] Esta descrição escrita usa exemplos para apresentar a invenção, inclusive o melhor modo, e também para capacitar qualquer versado na técnica a praticar a invenção, inclusive a fazer e usar qualquer aparelho ou sistema, e a executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram para as pessoas versadas na técnica. Tais outros exemplos destinam-se a estar dentro do escopo das reivindicações se possuírem elementos estruturais que não os diferenciem a partir da linguagem literal das reivindicações, ou se eles incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais a partir das linguagens literais das reivindicações.

Listagem de Partes 10 motor de turbina a gás 12 linha central 14 frente 16 traseira 18 seção de hélice 20 hélice 22 seção de compressor 24 LPC 26 HPC 28 seção de combustão 30 combustor 30a defletor 30b camisa de combustor 32 seção de turbina 34 HPT

36 LPT 38 seção de escape 40 invólucro de hélice 42 pás de hélice 44 núcleo 46 invólucro de núcleo 48 rotor de HP

50 rotor de LP

52 estágio de LPC

54 estágio de HPC

56 pás de LPC

58 pás de HPC

60 palhetas de LPC

62 palhetas de HPC

64 estágio de HPT

66 estágio de LPT

68 pás de HPT

70 pás de LPT

72 palhetas de HPT

74 palhetas de LPT 76 defletor 77 camisa 78 conjunto de sustentação 80 haste 82 pá de aerofólio 84 asa de pá 86 cauda de andorinha 88 lado de pressão 90 lado de sucção 92 eixo geométrico longitudinal 94 ponta de pá 96 raiz de pá 98 passagens de resfriamento 100 102 gerador de vórtice 104 parede 104 parede 104 parede 104 parede 112 corpo 114 superfície de ataque 116 superfície de fuga 118 superfície lateral 120 superfície de topo 122 turbulador 124 superfície de resfriamento 126 componente de motor 128 C direção de vazão de fluido de resfriamento LI comprimento de gerador de vórtice W1 largura de gerador de vórtice H1 altura de gerador de vórtice X eixo geométrico de corpo L2 comprimento de passagem W2 largura de passagem H2 altura de passagem SA área de superfície de transferência de calor FA área de vazão Reivindicações

Claims

1. COMPONENTE DE MOTOR (68), para um motor de turbina a gás que gera uma vazão de gás de combustão quente, caracterizado pelo fato de que compreende: uma superfície quente (90) em comunicação térmica com a vazão de gás de combustão quente; uma superfície de resfriamento (104) oposta á superfície quente (90) e que define uma área de resfriamento que tem uma largura em corte transversal (W2) ao longo da qual um fluido de resfriamento flui em uma direção de vazão; e pelo menos um gerador de vórtice (102) que se estende a partir da superfície de resfriamento (104) e está localizado na área de resfriamento e que tem um comprimento de corpo (LI), uma largura de corpo (W1) e um eixo geométrico de corpo (X), em que: o comprimento de corpo (LI) é maior que a largura de corpo (W1) e se estende ao longo do eixo geométrico de corpo (X); o eixo geométrico de corpo (X) é substancialmente alinhado à direção de vazão; e a largura de corpo (W1) é inferior à largura em corte transversal (W2) da área de resfriamento; em que o gerador de vórtice (102) é formado para induzir um vórtice no fluido de resfriamento em resposta ao contato com o fluido de resfriamento que flui.

2. COMPONENTE DE MOTOR (68), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma cavidade interior (98) definida pelo menos parcialmente pela área de resfriamento, em que o pelo menos um gerador de vórtice (102) está localizado dentro da cavidade interior (98).

3. COMPONENTE DE MOTOR (68), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a cavidade interior (98) tem uma altura em corte transversal (H2) e o pelo menos um gerador de vórtice (102) tem uma altura de corpo (H1) que é de 20 a 75% da altura de corte transversal (H2).

4. COMPONENTE DE MOTOR (68), de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o comprimento de corpo (LI) do pelo menos um gerador de vórtice (102) é de 8 a 15% do comprimento (L2) da cavidade interior (98).

5. COMPONENTE DE MOTOR (68), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a largura de corpo (W1) é de 10 a 33% da largura em corte transversal (W2).

6. COMPONENTE DE MOTOR (68), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um gerador de vórtice (102) compreende múltiplos geradores de vórtice (102) localizados na área de resfriamento.

7. COMPONENTE DE MOTOR (68), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que os múltiplos geradores de vórtice (102) são arranjados em múltiplas fileiras que se estendem substancialmente na mesma direção que a direção de vazão, em que cada fileira tem pelo menos um gerador de vórtice (102).

8. COMPONENTE DE MOTOR (68), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que uma fileira é escalonada em relação a outra fileira, na direção de vazão.

9. COMPONENTE DE MOTOR (68), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o eixo geométrico de corpo (X) de pelo menos um gerador de vórtice (102) em uma fileira é não paralela ao eixo geométrico de corpo (X) de pelo menos um gerador de vórtice (102) em outra fileira.

10. COMPONENTE DE MOTOR (68), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os geradores de vórtice (102) de pelo menos uma das múltiplas fileiras são escalonados um em relação ao outro em uma direção substancialmente perpendicular à direção de vazão.