BR102016006369A2

BR102016006369A2 - aparelho trocador de calor

Info

Publication number: BR102016006369A2
Application number: BR102016006369A
Authority: BR
Inventors: James Michael Kostka; Jeffrey Douglas Rambo; John William Moores; William Dwight Gerstler
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2016-10-25
Also published as: CA2923955C; JP2016180404A; EP3073217B1; JP6183976B2; US20160281532A1; EP3073217A1; CN106014646A; CA2923955A1

Abstract

trata-se de um aparelho trocador de calor (40, 140, 240) para um motor de turbina a gás que inclui: uma pluralidade de canos de trocador de calor (48, 148, 248), sendo que cada cano (48, 148, 248) tem primeira e segunda extremidades; em que os canos de trocador de calor (48, 148, 248) estão dispostos em um padrão repetitivo de modo que cada cano de trocador de calor (48, 148, 248) seja unido a pelo menos um outro cano de trocador de calor.

Description

“APARELHO TROCADOR DE CALOR” Antecedentes da Invenção [001] Esta invenção refere-se, em geral, a motores de turbina a gás e a métodos para resfriamento de óleo de tais motores.

[002] Motores de turbina a gás são geralmente dotados de um sistema de óleo circulante para lubrificar e resfriar vários componentes de motor, como rolamentos, caixas de engrenagens, geradores elétricos e similares. Em operação, o óleo absorve uma quantidade substancial de calor que precisa ser rejeitado para o ambiente externo a fim de manter o óleo em temperaturas aceitáveis. Conforme os modelos de motor se desenvolvem, a quantidade de calor a ser rejeitado é crescente.

[003] Sistemas de resfriamento de óleo conhecidos para motores de turbina a gás incluem tipicamente um ou mais trocadores de calor de ar-óleo, chamados de “resfriadores de óleo resfriados a ar” ou “ACOCs”, e também podem incluir trocadores de calor ar-ar. Esses trocadores de calor podem ser pesados e ter alto arrasto, e podem exigir dutos de admissão e emissão especiais e suportes pesados e grandes.

[004] O alto peso é parcialmente atribuível à necessidade de modelos existentes de usar ligas pesadas e de alta resistência e de modelos nos quais as funções estrutural e térmica são abordadas separadamente. Adicionalmente, esses trocadores de calor são usados em um ambiente desafiador com altas temperaturas e pressões que podem causar problemas de fadiga de ciclo baixo (“LCF”) e altos níveis de vibração que podem causar problemas de fadiga de ciclo alto (“HCF”).

[005] Consequentemente, há uma necessidade de um trocador de calor de motor de turbina a gás que tenha baixo peso, tamanho compacto e boas resistência e vida útil sob fadiga.

Descrição Resumida da Invenção [006] Essa necessidade é abordada pela presente invenção, que proporciona um trocador de calor que tem uma pluralidade de canos de trocador de calor unidos que se sustentam mutuamente.

[007] De acordo com um aspecto da invenção, um aparelho trocador de calor para um motor de turbina a gás inclui uma pluralidade de canos de trocador de calor, sendo que cada cano tem primeira e segunda extremidades; em que os canos de trocador de calor estão dispostos em um padrão repetitivo, de modo que cada cano de trocador de calor seja unido a pelo menos um outro cano de trocador de calor.

[008] De acordo com outro aspecto da invenção, cada cano de trocador de calor é unido a outros canos de trocador de calor em dois ou mais locais.

[009] De acordo com outro aspecto da invenção, cada cano de trocador de calor é unido a outros canos de trocador de calor em três locais.

[010] De acordo com outro aspecto da invenção, as uniões entre canos de trocador de calor vizinhos são definidas por porções de parede mutuamente compartilhadas dos canos de trocador de calor.

[011] De acordo com outro aspecto da invenção, o aparelho inclui adicionalmente uma tubulação de fluido, em que a primeira e a segunda extremidades de cada cano de trocador de calor são conectadas em comunicação fluida com a tubulação de fluido.

[012] De acordo com outro aspecto da invenção, a tubulação de fluido inclui pelo menos um canal de admissão e pelo menos um canal de emissão, e a primeira extremidade de cada cano de trocador de calor é conectada a um canal de admissão e a segunda extremidade de cada cano de trocador de calor é conectada a um canal de emissão.

[013] De acordo com outro aspecto da invenção, os canais de admissão e de emissão são separados entre si; cada cano de trocador de calor tem um formato de S suave com primeira e segunda extremidades; a primeira extremidade de cada cano de trocador de calor é conectada ao canal de admissão; e a segunda extremidade de cada cano de trocador de calor é conectada ao canal de emissão.

[014] De acordo com outro aspecto da invenção, cada cano de trocador de calor inclui uma porção central linear e primeira e segunda dobras de extremidade que são curvadas opostas entre si.

[015] De acordo com outro aspecto da invenção, os canos de trocador de calor são agrupados em pares, sendo que cada par de canos de trocador de calor é mutuamente unido e forma um formato de X.

[016] De acordo com outro aspecto da invenção, cada cano de trocador de calor tem pelo menos uma dobra no mesmo.

[017] De acordo com outro aspecto da invenção, cada cano de trocador de calor tem um formato que inclui duas pernas paralelas separadas interconectadas por uma ponte transversal.

[018] De acordo com outro aspecto da invenção, cada perna inclui um primeiro segmento vertical, um segmento axial e um segundo segmento vertical.

[019] De acordo com outro aspecto da invenção, a ponte de cada cano de trocador de calor é unida à perna de um cano de trocador de calor vizinho.

[020] De acordo com outro aspecto da invenção, os canos de trocador de calor são arranjados em duas fileiras separadas, em que os canos de trocador de calor das fileiras formam ângulos agudos com imagens espelhadas dispostas em relação a um eixo geométrico de referência.

[021] De acordo com outro aspecto da invenção, os canos de trocador de calor da primeira fileira são interligados aos canos de trocador de calor da segunda fileira.

[022] De acordo com outro aspecto da invenção, uma superfície externa de pelo menos um dos canos de trocador de calor inclui uma estrutura de aumento de área.

[023] De acordo com outro aspecto da invenção, a estrutura de aumento de área é produzida a partir de um material diferente do pelo menos um cano de trocador de calor.

[024] De acordo com outro aspecto da invenção, canais definidos entre os canos de trocador de calor têm uma área de fluxo aproximadamente constante ao longo de uma direção de fluxo selecionada.

Breve Descrição das Figuras [025] A invenção pode ser mais bem entendida pela referência à descrição a seguir, feita em conjunto com as Figuras de desenho anexas, nas quais: A Figura 1 é uma vista em corte transversal esquemática de um motor de turbina a gás que incorpora um sistema de trocador de calor construído de acordo com um aspecto da presente invenção; A Figura 2 é uma vista em perspectiva de um único cano de trocador de calor construído de acordo com um aspecto da presente invenção; A Figura 3 é uma vista em perspectiva de dois dos canos de trocador de calor mostrados na Figura 2. A Figura 4 é uma vista em perspectiva de três dos canos de trocador de calor mostrados na Figura 3. A Figura 5 é uma vista em perspectiva de uma matriz dos canos de trocador de calor mostrados na Figura 2. A Figura 6 é uma vista em perspectiva de dois dos canos de trocador de calor mostrados na Figura 2 em um arranjo alternativo; A Figura 7 é uma vista em perspectiva de quatro dos canos de trocador de calor mostrados na Figura 6. A Figura 8 é uma vista em perspectiva de uma matriz dos canos de trocador de calor mostrados na Figura 6. A Figura 9 é uma vista em perspectiva de dois canos de trocador de calor alternativos construídos de acordo com um aspecto da presente invenção; A Figura 10 é uma vista em perspectiva de quatro dos canos de trocador de calor mostrados na Figura 9. A Figura 11 é uma vista em perspectiva de seis dos canos de trocador de calor mostrados na Figura 9. A Figura 12 é uma vista em perspectiva de uma matriz dos canos de trocador de calor mostrados na Figura 9; e A Figura 13 é uma vista em corte transversal esquemática de um cano de transferência de calor que incorpora estruturas de aumento de área.

Descrição Detalhada da Invenção [026] Referindo-se aos desenhos, em que referências numéricas idênticas denotam os mesmos elementos por todas as várias vistas, a Figura 1 ilustra um motor de turbina a gás 10 que incorpora um aparelho trocador de calor construído de acordo com um aspecto da presente invenção. Embora o exemplo ilustrado seja um motor de turbofan de alta derivação, os princípios da presente invenção também são aplicáveis a outros tipos de motores, tais como de baixa derivação, turbojato, etc. O motor 10 tem uma linha central longitudinal, ou eixo geométrico 11, e um invólucro anular estacionário externo 12, disposto concentricamente ao redor do eixo geométrico 11 e coaxialmente ao longo do mesmo. O motor 10 tem um ventilador 14, um intensificador 16, um compressor 18, um combustor 20, uma turbina de alta pressão 22 e uma turbina de baixa pressão 24 arranjados relação de fluxo em série. Em operação, o ar pressurizado do compressor 18 é misturado com o combustível no combustor 20 e inflamado, gerando, assim, gases de combustão. Algum trabalho é extraído desses gases pela turbina de alta pressão 22, que aciona o compressor 18 por meio de uma haste externa 26. Os gases de combustão fluem, então, para uma turbina de baixa pressão 24, que aciona o ventilador 14 e o intensificador 16 por meio de uma haste interna 28. O motor 10 inclui um duto de derivação 32 no interior do qual o ventilador 14 descarrega.

[027] O motor 10 inclui um tipo conhecido de sistema para circulação de óleo pressurizado em várias partes do motor (por exemplo, rolamentos) para lubrificação e resfriamento. Em operação, o óleo absorve uma carga de calor significativa que precisa, então, ser rejeitada para o ambiente externo. A presente invenção proporciona um aparelho trocador de calor para resfriamento desse óleo ou de outro fluido. Indicado de modo geral, o trocador de calor inclui uma pluralidade de canos de trocador de calor estreitos que são expostos a um fluxo de ar de resfriamento e através dos quais o óleo é circulado. Os canos são conectados entre si para formar uma estrutura que se sustenta por si só mutuamente. Numerosas configurações físicas dos canos de trocador de calor são possíveis. Vários exemplos serão discutidos em detalhes abaixo.

[028] As Figuras 2 a 5 ilustram um trocador de calor 40 exemplificativo. Mais especificamente, as Figuras 2 a 4 ilustram porções do trocador de calor 40 em vários estágios de montagem, enquanto a Figura 5 ilustra o trocador de calor 40 completo.

[029] O trocador de calor 40 inclui uma tubulação de fluido 42 que é configurada para receber um fluido (por exemplo, óleo de lubrificação ou outro líquido, ou um gás) a ser resfriado a partir do motor 10, circular o mesmo através de uma pluralidade de canos de trocador de calor (descritos abaixo), e retornar o fluido resfriado para ser armazenado ou usado pelo motor 10. No exemplo ilustrado, a tubulação de fluido 42 é mostrada como incluindo um ou mais canais de admissão 44 e um ou mais canais de emissão 46 configurados como tubos lado a lado.

[030] O trocador de calor 40 inclui uma pluralidade de canos de trocador de calor 48 que, em operação, são posicionados para serem expostos a um fluxo de fluido de resfriamento (por exemplo, ar), ilustrado pela seta “F”. Por exemplo, o trocador de calor 40 podería ser posicionado com os canos de trocador de calor 48 expostos dentro do duto de derivação 32 (consultar a Figura 1). Em geral, nas realizações mostradas nas Figuras 2 a 8, a direção aparente do fluxo de fluido de resfriamento F é paralela a um primeiro eixo geométrico ou direção “A” da tubulação de fluido 42 e perpendicular a um segundo eixo geométrico ou direção “B” da tubulação de fluido 42, em que eixos geométricos A e B são mutuamente perpendiculares entre si.

[031] Referindo-se especificamente à Figura 2, cada cano de trocador de calor 40 é um tubo estreito relatívamente longo com pelo menos uma dobra no mesmo. Como um princípio geral, pode ser indicado que, para cada dobra adicionada a um cano, a capacidade de transferência de calor é aperfeiçoada, enquanto o grau de liberdade (“DOF”) vibracional também é aumentado. No exemplo ilustrado, o cano de trocador de calor 40 é um único membro contínuo, porém, por conveniência, pode ser descrito como tendo vários segmentos. Em particular, cada cano de trocador de calor tem duas “pernas” 50 separadas idênticas que são geralmente paralelas entre si. Cada perna 50 tem uma primeira extremidade 52 e uma segunda extremidade 54, e as segundas extremidades 54 são conectadas por uma ponte 56 que se estende de modo transversal entre as duas pernas 50. Começando na primeira extremidade 52, cada perna 50 inclui um primeiro segmento vertical 58, um segmento axial 60 e um segundo segmento vertical 62. Toda a estrutura pode ser descrita como tendo um formato similar a uma “estrutura de cadeira”. A primeira extremidade 52 de uma perna 50 (que também representa uma extremidade terminal de todo o cano de trocador de calor 48) é acoplada em comunicação fluida com o canal de admissão 44, e a primeira extremidade 52 da segunda perna 50 (que também representa uma segunda extremidade terminal de todo o cano de trocador de calor) é acoplada em comunicação fluida com o canal de emissão 46. Opcionalmente, múltiplos canos de trocador de calor 48 poderíam ser interconectados uns com os outros, por exemplo, com o uso de dobras em U (não mostradas) de modo que criassem múltiplas passagens antes de terminarem na tubulação de fluido 42. De modo similar, múltiplos canos de trocador de calor 48 poderíam ser arranjados para proporcionar fluxo de cano a cano em uma direção ao longo do eixo geométrico de referência B, em cujo caso, alguma ou toda a tubulação de fluido 42 poderia ser eliminada.

[032] Um único cano de trocador de calor 48 é relativamente flexível e poderia ser submetido a dano por cargas de vibração resultantes da operação de motor ou vibrações induzidas por fluxo causadas pelo escoamento aerodinâmico do fluxo de ar externo, geralmente chamado de “fretting”. Para combater isso, múltiplos canos de trocador de calor 48 podem ser montados em contato entre si em múltiplos locais de modo que os mesmos possam sustentar mutuamente uns aos outros, proporcionando rigidez adicional, o que aumenta as frequências naturais acima da frequência de forçamento.

[033] Por exemplo, na Figura 3, a tubulação de fluido 42 é mostrada incluindo dois canais de admissão 44, 44', respectivamente, e um canal de emissão 46. Um cano de trocador de calor 48 é conectado ao primeiro canal de admissão 44 e ao canal de emissão 46 e o segundo cano de trocador de calor 48' é conectado ao canal de emissão 46 e ao segundo canal de admissão 44'. Referindo-se a um eixo geométrico de referência B paralelo aos canais de admissão 44, 44', os dois canos de trocador de calor 48, 48' estão aproximadamente na mesma posição axial, porém estão lateralmente deslocados um em relação ao outro. A ponte 56 do primeiro cano de trocador de calor 48 é mostrada em contato com uma primeira perna 50' do segundo cano de trocador de calor 48'. Os dois canos de trocador de calor 48, 48' estão unidos entre si no ponto de contato.

[034] Conforme usado no presente documento em referência aos canos de trocador de calor 48, o termo “unido” implica em uma conexão estrutural sólida e rígida de uma natureza permanente entre os dois elementos unidos. Por exemplo, os canos de trocador de calor 48 podem ser produzidos separadamente e, então, unidos com o uso de um processo de ligação conhecido, como soldagem ou brasagem ou ligação por difusão. Alternativamente, os canos de trocador de calor 48 poderíam ser produzidos como parte de um todo integral, unitário, ou monolítico, no qual as paredes dos canos são compartilhadas nos pontos de contato.

[035] A Figura 4 mostra um estágio adicional de montagem em que um terceiro cano de trocador de calor 48" foi adicionado, conectado ao primeiro canal de admissão 44 e ao canal de emissão 46, e lateralmente em linha com o primeiro cano de trocador de calor 48 e axialmente deslocado em relação ao mesmo. Cada perna 50 do primeiro cano de trocador de calor 48 está em contato com a perna 50” correspondente do terceiro cano de trocador de calor 48". Nesse arranjo, o primeiro cano de trocador de calor 48 está em contato com e unido a outros canos de trocador de calor 48', 48" em três locais.

[036] Finalmente, a Figura 5 ilustra o trocador de calor 40 em que o arranjo de canos de trocador de calor 48 mostrado na Figura 4 é repetido nas direções axial e lateral e cada cano de trocador de calor 48 está em contato com e unido a outros canos de trocador de calor em três locais. Esse arranjo proporciona rigidez e resistência adicionais significativas a cada um dos canos de trocador de calor 48. Indicado de outra maneira, os canos de trocador de calor 48 se sustentam por si só mutuamente. Isso dá ao trocador de calor 40 boas resistência e rigidez de modo que suas frequências naturais possam ser feitas adequadamente altas, enquanto ainda é leve. Essa configuração é vantajosa quando comparada ao uso de técnica anterior de placas ou escoras de ligação para enrijecer tubos de trocador de calor. Os canos de trocador de calor 48 também podem ser descritos como sendo “interligados”. Nota-se que os canos de trocador de calor 48 individuais não precisam ser unidos ou interligados a canos de trocador de calor imediatamente vizinhos 48 a fim de lograr o efeito de autossustentação mútuo. Por exemplo, um primeiro cano de trocador de calor 48 poderia ser configurado para se unir ou interligar a outro cano de trocador de calor 48 que é separado do primeiro cano de trocador de calor 48 por um ou mais canos de trocador de calor 48 intermediários. Isso é verdadeiro para todas as realizações descritas no presente documento.

[037] As Figuras 6 a 8 ilustram um trocador de calor 140 alternativo. Mais especificamente, as Figuras 6 e 7 ilustram porções do trocador de calor 140 em vários estágios de montagem, enquanto a Figura 8 ilustra o trocador de calor 140 completo.

[038] O trocador de calor 140 usa os canos de trocador de calor 148 que podem ser idênticos aos canos de trocador de calor 48, conforme vistos nas Figuras 2 a 5, porém arranjados em um padrão diferente. O trocador de calor 140 inclui uma tubulação de fluido 142 que compreende dois pares de canais, 143A e 143B, sendo que cada par de canal 143A, 143B inclui um canal de admissão 144 e um canal de emissão 146, configurados como tubos lado a lado. Os pares 143A e 143B correm paralelos uns aos outros e são lateralmente separados por um espaço 145.

[039] Os canos de trocador de calor 148 são orientados por uma linha que corre através de suas extremidades 152 ajustados em um ângulo agudo em relação a um eixo geométrico de referência B. A primeira extremidade 152 de uma perna 150 (que também representa uma extremidade terminal de todo o cano de trocador de calor) é acoplada em comunicação fluida com o canal de admissão 144 do primeiro par 143A, e a primeira extremidade 152 da segunda perna 150 (que também representa uma segunda extremidade terminal de todo o cano de trocador de calor 148) é acoplada em comunicação fluida com o canal de emissão 146 do primeiro par 143A.

[040] Uma fileira de canos de trocador de calor 148, orientados conforme descrito acima, está disposta ao longo do primeiro par 143A de canais. Cada cano de trocador de calor 148 está em contato com e é unido a seu cano de trocador de calor vizinho 148 na fileira em um local.

[041] Outra fileira de canos de trocador de calor 148' está disposta ao longo do segundo par 143B de canais e arranjada de modo similar, porém é orientada como uma imagem espelhada da primeira fileira de canos de trocador de calor 148 (em outras palavras, as mesmas estão em ângulos opostos em relação ao eixo geométrico B). Cada cano de trocador de calor 148' está em contato com e é unido a seu cano de trocador de calor vizinho 148' na fileira em um local.

[042] Conforme visto na Figura 8, os canos de trocador de calor 148, 148' dos dois pares 143A, 143B são entrelaçados entre si de modo que cada cano de trocador de calor 148, 148' esteja em contato com e unido a outros canos de trocador de calor 148, 148' em três locais.

[043] As Figuras 9 a 12 ilustram um trocador de calor 240 alternativo. Mais especificamente, as Figuras 9 a 11 ilustram porções do trocador de calor 240 em vários estágios de montagem, enquanto a Figura 12 ilustra o trocador de calor 240 completo.

[044] O trocador de calor 240 inclui uma tubulação de fluido. No exemplo ilustrado, a tubulação de fluido inclui um canal de admissão 244 separado de um canal de emissão 246.

[045] O trocador de calor 240 inclui uma pluralidade de canos de trocador de calor 248 que, em operação, são posicionados para serem expostos a um fluxo de fluido de resfriamento (por exemplo, ar), ilustrado pela seta “F”. Em geral, na realização mostrada nas Figuras 9 a 12, a direção aparente do fluxo de fluido de resfriamento F é paralela a um primeiro eixo geométrico ou direção “A” da tubulação de fluido e perpendicular a um segundo eixo geométrico ou direção “B” da tubulação de fluido, em que eixos geométricos A e B são mutuamente perpendiculares entre si.

[046] Referindo-se especificamente à Figura 9, cada cano de trocador de calor 248 é um tubo estreito relativamente longo com primeira e segunda extremidades 252, 254. Entre as extremidades 252, 254, o cano de trocador de calor 248 tem uma porção central linear 256 com primeira e segunda dobras de extremidade 258, 260 que são curvadas opostas entre si. O cano de trocador de calor 248 completo pode ser descrito como tendo um formato de “S” suave. A primeira extremidade 252 é acoplada em comunicação fluida com o canal de admissão 244 e a segunda extremidade 254 é acoplada em comunicação fluida com o canal de emissão 246.

[047] Cada cano de trocador de calor 248 é emparelhado com um cano de trocador de calor vizinho 248 em contato com e mutuamente unido a um ponto e que forma um formato de “X”. Conforme visto nas Figuras 10 e 11, esses pares podem ser repetidos nas direções axial e lateral. Finalmente, a Figura 12 ilustra o trocador de calor 240 completo.

[048] Os canos de trocador de calor descritos acima podem ser produzidos a partir de um material com condutividade e resistência térmicas adequadas em temperaturas operacionais esperadas. Exemplos não limitantes de materiais adequados incluem ligas de alumínio, aços de alta resistência e ligas baseadas em níquel (por exemplo, INCONEL).

[049] Em quaisquer das configurações descritas acima, os canos de trocador de calor podem ser configurados de modo que os espaços abertos ou canais de fluxo para fluxo de fluido entre os mesmos sejam geralmente constantes. Indicado de outra maneira, a área de cada um dos espaços abertos é aproximadamente a mesma para qualquer dado local ao longo da direção de fluxo F. Isso evita expansões ou contrações repetidas na área de fluxo que poderíam criar uma perda de pressão substancial.

[050] Todos ou parte dos trocadores de calor descritos acima, incluindo as tubulações e/ou os canos de trocador de calor, ou porções dos mesmos, podem ser parte de um único componente unitário, de peça única, ou monolítico, e pode ser fabricado com o uso de um processo de fabricação que envolve construção de camada-em-camada ou fabricação aditiva (em oposição à remoção de material como com processos de usinagem convencional). Tais processos podem chamados de "processos de fabricação rápida" e/ou "processos de fabricação aditiva", com o termo "processo de fabricação aditiva" sendo o termo usado no presente documento para se referir, geralmente, a tais processos. Processos de fabricação aditiva incluem, porém não se limitam a: Sinterização de Metal a Laser Direta (DMLS), Fusão de Metal a Laser Direta (DMLM), Fabricação a Laser em Formato de Rede (LNSM), Sinterização de Feixe de Elétrons, Sinterização a Laser Seletiva (SLS), impressão 3D, como por jatos de tinta e jatos a laser, Estereolitografia (SLA), Fusão de Feixe de Elétrons (EBM), Modelagem Projetada a Laser em Formato de Rede (LENS), e Deposição de Metal Direta (DMD).

[051] Alternativamente, porções dos trocadores de calor descritas acima poderíam ser produzidas por processos como lamínação, extrusão, fundição ou usinagem a partir de peças brutas, ou usando-se um processo de fabricação aditivo, e, então, ligadas umas às outras, por exemplo, com o uso de métodos de soldagem ou brasagem conhecidos, ou de ligação por difusão.

[052] Uma função significativa de todas as configurações de trocador de calor descritas acima é de que os espaços de fluxo de ar entre os tubos de trocador de calor são tamanho aproximadamente uniforme. Uma área de fluxo de ar constante minimiza a queda de pressão reduzindo-se perdas de fluxo irreversíveis associadas à aceleração e desaceleração de fluxo. Embora as figuras exemplificativas mostrem que isso é alcançado com o uso de um padrão tubular repetível, essa não é uma função limitante da invenção. O mesmo espaço de fluxo de ar constante pode ser alcançado através de uma combinação de alteração do número de canos de trocador de calor e dos formatos dos canos de trocador de calor ao longo do caminho de fluxo de ar. Tal arranjo resulta em uma distribuição não uniforme de canos de trocador de calor e tamanhos de cano, enquanto mantendo uma área de fluxo de ar uniforme. Técnicas de fabricação, como fabricação aditiva, permitem a realização de tais modelos.

[053] As superfícies externas de quaisquer dos canos de trocador de calor descritos acima podem ser dotadas de estruturas de aumento de área para realçar a transferência de calor no lado do ar. Exemplos não limitantes de estruturas de aumento de área incluem aletas, nervuras, aletas de pino, ranhuras e cavidades. A Figura 13 mostra uma seção curta de um cano de transferência de calor 48 que tem uma parede de cano 51 com uma superfície externa 53. Uma matriz de aletas anulares separadas 57 se estende para fora a partir da superfície externa 53. As aletas 57 ou outra estrutura de aumento de área poderíam ser parte de uma construção integral, unitária ou monolítica com a parede de cano 51, por exemplo, sendo produzidas por um processo de usinagem convencional ou de usinagem aditiva, ou as mesmas poderíam ser fabricadas separadamente e, então, fixadas na parede de cano 51. As aletas 57 ou outra estrutura de aumento de área poderíam ser do mesmo material que a parede de cano 51 ou de um material diferente.

[054] A invenção descrita no presente documento tem várias vantagens sobre a técnica anterior. O modelo estrutural-térmico integrado permite vida útil LCF/HCF aperfeiçoada e empacotamento de trocador de calor aperfeiçoado. Para um dado ajuste de condições de temperatura e pressão, pode-se permitir o uso de um material com condutividade térmica mais alta e resistência mais baixa do que o necessário de outro modo. Por exemplo, dependendo da aplicação específica, pode-se permitir que uma liga baseada em níquel atue onde nenhuma liga seria, de outro modo, adequada, ou pode-se permitir a substituição de uma liga de aço no lugar de uma liga de níquel, ou pode-se permitir a substituição de uma liga de alumínio no lugar de uma liga de aço.

[055] O supracitado descreveu um aparelho trocador de calor. Todas as funções reveladas neste relatório descritivo (incluindo quaisquer reivindicações, resumo e figuras anexas) e/ou todas as etapas de qualquer método ou processo aqui revelado, podem ser combinadas em qualquer combinação, exceto em combinações em que pelo menos algumas dentre tais funções e/ou etapas sejam mutuamente exclusivas.

[056] Cada função revelada neste relatório descritivo (incluindo quaisquer reivindicações, resumo e figuras anexas) pode ser substituída por funções alternativas que satisfaçam um mesmo propósito ou um propósito equivalente ou semelhante, a menos que seja expressamente indicado de outro modo. Portanto, a menos que seja expressamente indicado de outro modo, cada função revelada é apenas um exemplo de uma série genérica de funções equivalentes ou semelhantes.

[057] A invenção não se restringe aos detalhes das realizações supracitadas. A invenção se estende a quaisquer funções inovadoras ou combinações inovadoras de funções reveladas neste relatório descritivo (incluindo quaisquer reivindicações, resumo e desenhos anexos), ou a qualquer etapa inovadora ou qualquer combinação inovadora de etapas de qualquer método ou processo aqui revelado.

Lista de Componentes Motor de turbina a gás 10 Linha central ou eixo geométrico longitudinal 11 Invólucro 12 Ventilador 14 Intensificador 16 Compressor 18 Combustor 20 Turbina de alta pressão 22 e turbina de baixa pressão 24 Turbina de baixa pressão 24 Haste externa 26 Haste interna 28 Duto de derivação 32 Trocador de calor 40 Tubulação de fluido 42 Canais de admissão 44 Canais de emissão 46 Canos de trocador de calor 48 Pernas 50 Parede de cano 51 Primeira extremidade 52 Superfície externa 53 Segunda extremidade 54 Ponte 56 Aletas anulares 57 Primeiro segmento vertical 58 Segmento axial 60 Segundo segmento vertical 62 Trocador de calor 140 Tubulação de fluido 142 Canais 143A

Canais 143B

Canal de admissão 144 Espaço 145 Canal de emissão 146 Canos de trocador de calor 148 Perna 150 Extremidades 152 Trocador de calor 240 Canal de admissão 244 Canal de emissão 246 Canos de trocador de calor 248 Primeira extremidade 252 Segunda extremidade 254 Porção central linear 256 Primeira dobra de extremidade 258 Segunda dobra de extremidade 260 Reivindicações

Claims

1. APARELHO TROCADOR DE CALOR (40, 140, 240) para um motor de turbina a gás, caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade de canos de trocador de calor (48, 148, 248), sendo que cada cano (48, 148, 248) tem primeira e segunda extremidades; em que os canos de trocador de calor (48, 148, 248) estão dispostos em um padrão repetitivo, de modo que cada cano de trocador de calor (48, 148, 248) seja unido a pelo menos um outro cano de trocador de calor.

2. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada cano de trocador de calor (48, 148, 248) é unido a outros canos de trocador de calor (48, 148, 248) em dois ou mais locais.

3. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada cano de trocador de calor (48, 148, 248) é unido a outros canos de trocador de calor (48, 148, 248) em três locais.

4. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as uniões entre canos de trocador de calor vizinhos (48, 148, 248) são definidas por porções de parede mutuamente compartilhadas dos canos de trocador de calor (48, 148, 248).

5. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma tubulação de fluido (42, 142), em que a primeira e a segunda extremidades de cada cano de trocador de calor (48, 148, 248) são conectadas em comunicação fluida com a tubulação de fluido (42, 142).

6. APARELHO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a tubulação de fluido (42, 142) inclui pelo menos um canal de admissão e pelo menos um canal de emissão, e a primeira extremidade de cada cano de trocador de calor (48, 148, 248) é conectada a um canal de admissão e a segunda extremidade de cada cano de trocador de calor (48, 148, 248) é conectada a um canal de emissão.

7. APARELHO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que: os canais de admissão e de emissão são separados entre si; cada cano de trocador de calor (48, 148, 248) tem um formato de S suave com primeira e segunda extremidades; a primeira extremidade de cada cano de trocador de calor (48, 148, 248) é conectada ao canal de admissão; e a segunda extremidade de cada cano de trocador de calor (48, 148, 248) é conectada ao canal de emissão.

8. APARELHO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que cada cano de trocador de calor (48, 148, 248) inclui uma porção central linear e primeira e segunda dobras de extremidade que são curvadas opostas entre si.

9. APARELHO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os canos de trocador de calor (48, 148, 248) são agrupados em pares, sendo que cada par de canos de trocador de calor (48, 148, 248) é mutuamente unido e forma um formato de X.

10. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada cano de trocador de calor (48, 148, 248) tem pelo menos uma dobra no mesmo.

11. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada cano de trocador de calor (48, 148, 248) tem um formato que inclui duas pernas paralelas separadas interconectadas por uma ponte transversal.

12. APARELHO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que cada perna inclui um primeiro segmento vertical, um segmento axial e um segundo segmento vertical.

13. APARELHO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a ponte de cada cano de trocador de calor (48, 148, 248) é unida à perna de um cano de trocador de calor vizinho.

14. APARELHO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os canos de trocador de calor (48, 148, 248) são arranjados em duas fileiras separadas, em que os canos de trocador de calor (48, 148, 248) das fileiras formam ângulos agudos com imagens espelhadas dispostas em relação a um eixo geométrico de referência.

15. APARELHO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que os canos de trocador de calor (48, 148, 248) da primeira fileira são interligados aos canos de trocador de calor (48, 148, 248) da segunda fileira.

16. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma superfície externa de pelo menos um dos canos de trocador de calor (48, 148, 248) inclui uma estrutura de aumento de área.

17. APARELHO, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a estrutura de aumento de área é produzida a partir de um material diferente do pelo menos um cano de trocador de calor.

18. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que canais de fluxo definidos entre os canos de trocador de calor (48, 148, 248) têm uma área de fluxo aproximadamente constante ao longo de uma direção de fluxo selecionada.