BR102016006912A2

BR102016006912A2 - conjunto de segmento de bocal e motor de turbina a gás

Info

Publication number: BR102016006912A2
Application number: BR102016006912A
Authority: BR
Inventors: Matthew Mark Weaver
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2016-10-25
Also published as: CA2925246C; CN106014494A; EP3075963B1; CN106014494B; JP2016191379A; US9863260B2; EP3075963A1; CA2925246A1; JP6216820B2; US20160290147A1

Abstract

a presente invenção refere-se a um conjunto de segmento de bocal para um motor de turbina a gás que pode de maneira geral incluir segmentos de suporte de anel interno e externo e uma carenagem de bocal posicionada entre os segmentos de suporte de anel interno e externo. a carenagem de bocal pode ser formada a partir de um material compósito de matriz cerâmica (cmc) e pode incluir tanto uma parede de extremidade externa como uma parede de extremidade interna. além disso, a carenagem de bocal pode incluir uma palheta de escora que se estende entre as paredes de extremidade interna e externa. o conjunto de segmento de bocal também pode incluir uma escora metálica que se estende através da palheta de escora entre os suportes de anel externo e interno e pelo menos uma palheta secundária configurada para ser recebida através de pelo menos uma dentre a parede de extremidade externa ou a parede de extremidade interna da carenagem de bocal de modo que a pelo menos uma palheta secundária se estenda entre as paredes de extremidade interna e externa em uma localização adjacente à palheta de escora.

Description

“CONJUNTO DE SEGMENTO DE BOCAL E MOTOR DE TURBINA A GÁS” Campo da Invenção [001] A presente matéria refere-se, em geral, a motores de turbina a gás e, mais particularmente, a um conjunto de segmento de bocal híbrido para um motor de turbina a gás.

Antecedentes Da Invenção [002] Um motor de turbina a gás inclui um núcleo de turbomaquinaria, um compressor de alta pressão, um combustor e uma turbina de alta pressão ("HPT") em relacionamento de fluxo em série. O núcleo é operável de uma maneira conhecida para gerar um fluxo de gás primário. A HPT inclui arranjos anulares ("fileiras") de palhetas ou bocais estacionários que direcionam os gases que saem do combustor para dentro das lâminas ou pás rotativas. De modo coletivo, uma fileira de bocais e uma fileira de lâminas constituem um "estágio". De modo típico, dois ou mais estágios são usados em relacionamento de fluxo em série. Esses componentes operam em um ambiente de temperatura extremamente alta e, portanto, devem ser refrigerados por fluxo de ar para garantir uma vida útil adequada.

[003] Devido às temperaturas operação dentro do motor de turbina a gás, é desejável utilizar materiais com baixos coeficientes de expansão térmica. Por exemplo, para operar de maneira eficaz nessas condições de temperatura e pressão extenuantes, materiais de compósito têm sido desenvolvidos, tais como materiais de compósitos de matriz cerâmica (CMC). Os materiais de CMC fornecem vantagens tanto de temperatura como de densidade sobre materiais metálicos, para, desse modo, tornar os materiais opções desejáveis para a fabricação de componentes de percurso de gás quente, de alta temperatura. No entanto, materiais de CMC também têm propriedades mecânicas únicas que têm que ser consideradas durante o projeto e a aplicação de esses materiais no interior de um motor de turbina a gás. Por exemplo, os materiais de CMC têm ductilidade à tração relativamente baixa ou baixa deformação até a ruptura quando comparados a materiais metálicos. Como resultado, componentes baseados em CMC não são frequentemente instalados para manipular carga mecânica significativa durante operação do motor de turbina a gás.

[004] Nesse sentido, têm sido feitas tentativas para formar palhetas de bocal a partir de materiais de CMC para aumentar a aptidão para alta temperatura de esses componentes. No entanto, essas tentativas anteriores não têm endereçado totalmente as questões de carga mecânica para as palhetas de bocal, desse modo levando a desafios de durabilidade para os componentes baseados em CMC.

[005] Consequentemente, um conjunto de segmento de bocal aprimorado que fornece suporte mecânico aumentado para palhetas de bocal baseadas em CMC deve ser bem recebido na tecnologia.

Descrição Resumida da Invenção [006] Os aspectos e as vantagens da invenção serão apresentados parcialmente na descrição a seguir, ou podem se tornar óbvios a partir da descrição, ou podem ser aprendidos através da prática da invenção.

[007] Em um aspecto, a presente matéria é dirigida a um conjunto de segmento de bocal para um motor de turbina a gás. O conjunto de segmento de bocal pode, de maneira geral, incluir um segmento de suporte de anel externo e um segmento de suporte de anel interno. O conjunto de segmento de bocal pode incluir uma carenagem de bocal posicionada entre os segmentos de suporte de anel interno e externo. A carenagem de bocal pode ser formada a partir de um material compósito de matriz cerâmica (CMC) e pode incluir tanto uma parede de extremidade externa configurada para ser posicionada adjacente ao segmento de suporte de anel externo como uma parede de extremidade interna configurada para ser posicionada adjacente ao segmento de suporte de anel interno. Além disso, a carenagem de bocal pode incluir uma palheta de escora que se estende entre as paredes de extremidade interna e externa. O conjunto de segmento de bocal também pode incluir uma escora metálica que se estende através da palheta de escora entre os suportes de anel externo e interno e pelo menos uma palheta secundária configurada para ser recebida através de pelo menos uma dentre a parede de extremidade externa ou a parede de extremidade interna da carenagem de bocal, de modo que a pelo menos uma palheta secundária se estenda entre as paredes de extremidade interna e externa em uma localização adjacente à palheta de escora.

[008] Em outro aspecto, a presente matéria é dirigida a um motor de turbina a gás. O motor de turbina a gás pode, de maneira geral, incluir um compressor, um combustor em comunicação de fluxo com o compressor e uma turbina configurada para receber produtos de combustão provenientes do combustor. A turbina pode incluir um bocal de turbina que tem um arranjo anular de conjuntos de segmento de bocal. Cada conjunto de segmento de bocal pode, de maneira geral, incluir um segmento de suporte de anel externo, um segmento de suporte de anel interno e uma carenagem de bocal posicionada entre os segmentos de suporte de anel interno e externo. A carenagem de bocal pode ser formada a partir de um material compósito de matriz cerâmica (CMC) e pode incluir tanto uma parede de extremidade externa configurada para ser posicionada adjacente ao segmento de suporte de anel externo como uma parede de extremidade interna configurada para ser posicionada adjacente ao segmento de suporte de anel interno. Além disso, a carenagem de bocal pode incluir uma palheta de escora que se estende entre as paredes de extremidade interna e externa. Cada conjunto de segmento de bocal também pode incluir uma escora metálica que se estende através da palheta de escora entre os suportes de anel externo e interno e pelo menos uma palheta secundária configurada para ser recebida através de pelo menos uma dentre a parede de extremidade externa ou a parede de extremidade interna da carenagem de bocal de modo que a pelo menos uma palheta secundária se estenda entre as paredes de extremidade interna e externa em uma localização adjacente à palheta de escora.

[009] Esses e outros recursos, aspectos e vantagens da presente invenção se tornarão mais bem compreendidos com referência à descrição a seguir e às reivindicações anexas. Os desenhos anexos, que são incorporados neste relatório descritivo e constituem uma parte do mesmo, ilustram realizações da invenção e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção.

Breve Descrição das Figuras [010] Uma revelação completa e viabilizadora da presente invenção, incluindo o melhor modo da mesma, direcionada a uma pessoa de habilidade comum na técnica, é apresentada no relatório descritivo, que faz referência às Figuras anexas, nas quais: A Figura 1 ilustra uma vista de corte transversal de uma realização de um motor de turbina a gás que pode ser utilizado dentro de uma aeronave de acordo com aspectos da presente matéria; A Figura 2 ilustra uma vista em perspectiva de uma realização de um bocal de turbina adequado para uso dentro da turbina a gás mostrada na Figura 1 em conformidade com aspectos da presente matéria revelada. A Figura 3 ilustra uma vista em perspectiva de uma realização de um conjunto de segmento de bocal adequado para uso dentro do bocal de turbina mostrado na Figura 2 de acordo com aspectos da presente matéria revelada. A Figura 4 ilustra uma vista explodida do conjunto de segmento de bocal mostrado na Figura 3; e A Figura 5 ilustra uma vista de corte transversal do conjunto de segmento de bocal mostrado na Figura 3 tomada em relação à linha 5-5.

Descrição Detalhada Da Invenção [011] Agora, será feita referência detalhadamente às realizações da invenção, das quais um ou mais exemplos são ilustrados nos desenhos. Cada exemplo é fornecido a título de explicação da invenção, não como limitação à invenção. De fato, ficará evidente para as pessoas versadas na técnica que várias modificações e variações podem ser feitas na presente invenção sem se afastar do escopo ou espírito da invenção. Por exemplo, os recursos ilustrados ou descritos como parte de uma realização podem ser usados com outra realização para gerar ainda outra realização. Portanto, a presente invenção é destinada a abranger tais modificações e variações, como estando incluídas no escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.

[012] Em geral, a presente matéria é dirigida a um conjunto de segmento de bocal que faz parte de um bocal de turbina para um motor de turbina a gás. Especificamente, em diversas realizações, o conjunto de segmento de bocal pode incluir um projeto de palheta de CMC/metal híbrida, em que um componente ou escora metálica estrutural é protegida dos gases de combustão que fluem ao longo do percurso de gás quente do motor de turbina a gás por uma carenagem de CMC e paredes de extremidade de CMC correspondentes. Além disso, o conjunto de segmento de bocal também pode incluir uma ou mais palhetas baseadas em CMC secundárias configuradas para serem suportadas de forma simples junto à escora protegida de CMC. Por exemplo, em uma realização, o conjunto de segmento de bocal pode corresponder a um projeto de palheta tripla. Nessa realização, o conjunto de segmento de bocal pode incluir duas palhetas baseadas em CMC secundárias que correspondem às palhetas externas do conjunto, em que a carenagem de CMC servir como a palheta central.

[013] Deve ser avaliado que o projeto de CMC/metal híbrido revelado pode permitir que um conjunto de segmento de bocal seja dotado das vantagens tanto de componentes baseados em CMC como metálicos. Por exemplo, a escora metálica pode servir para aumentar a capacidade de carga mecânica do conjunto. Além disso, as capacidades de alta temperatura dos vários componentes de CMC podem servir para reduzir as exigências de fluxo de refrigeração para o conjunto. Além disso, dadas as suas densidades significativamente inferiores, os componentes baseados em CMC também podem servir para reduzir o peso total do conjunto de segmento de bocal quando comparado a componentes de bocal metálicos convencionais.

[014] Agora, em referência aos desenhos, a Figura 1 ilustra uma vista de corte transversal de uma realização de um motor de turbina a gás 10 que pode ser utilizado dentro de uma aeronave de acordo com aspectos da presente matéria, sendo que o motor 10 que é mostrado tem um eixo geométrico de linha central longitudinal ou axial 12 que se estende através do mesmo para propósitos de referência. De modo geral, o motor 10 pode incluir um motor de turbina a gás de núcleo (indicado, de maneira geral, pelo caractere de referência 14) e uma seção de ventilador 16 posicionada a montante do mesmo. O motor de núcleo 14 pode incluir, de maneira geral, um invólucro externo substancialmente tubular 18 que definir uma entrada anular 20. Além disso, o invólucro externo 18 pode adicionalmente envolver e sustentar um compressor intensificador 22 para aumentar a pressão do ar que entra no motor de núcleo 14 para um primeiro nível de pressão. Um compressor de fluxo axial, multiestágio e de alta pressão 24 pode, então, receber o ar pressurizado proveniente do compressor intensificador 22 e aumentar adicionalmente a pressão desse ar. O ar pressurizado que sai do compressor de alta pressão 24 pode, então, fluir para um combustor 26 dentro do qual o combustível é injetado no fluxo de ar pressurizado, sendo que a mistura resultante é queimada dentro do combustor 26. Os produtos de combustão de alta energia são direcionados do combustor 26 ao longo do percurso de gás quente do motor 10 para uma primeira turbina (alta pressão) 28 para acionar o compressor de alta pressão 24 por meio de um primeiro eixo de acionamento (alta pressão) 30 e, então, para uma segunda turbina (baixa pressão) 32 para acionar o compressor intensificador 22 e a seção de ventilador 16 por meio de um segundo eixo de acionamento (baixa pressão) 34 que é, em geral, coaxial com o primeiro eixo de acionamento 30. Após acionar cada uma das turbinas 28 e 32, os produtos de combustão podem ser expelidos do motor de núcleo 14 por meio de um bocal de escape 36 para proporcionar empuxo de jato propulsor.

[015] Deve ser avaliado que cada turbina 28, 30 pode, em geral, incluir um ou mais estágios de turbina, sendo que cada estágio inclui um bocal de turbina (não mostrado na Figura 1) e um rotor de turbina a jusante (não mostrado na Figura 1). Como será descrito abaixo, o bocal de turbina pode incluir uma pluralidade de palhetas dispostas em um arranjo anular em volta do eixo geométrico de linha central 12 do motor 10 para girar ou de outra forma direcionar o fluxo de produtos de combustão através do estágio de turbina em direção a um arranjo anular de lâminas de rotor correspondente que faz parte da rotor de turbina. Como é, em geral, entendido, as lâminas de rotor podem ser acopladas a um disco de rotor do rotor de turbina, o qual é, por sua vez, acoplado rotacionalmente ao eixo de acionamento da turbina (por exemplo, eixo de acionamento 30 ou 34).

[016] Adicionalmente, conforme mostrado na Figura 1, a seção de ventilador 16 do motor 10 pode incluir, em geral, um rotor de ventilador de fluxo axial giratório 38 que é configurado para ser circundado por um invólucro de ventilador anular 40. Deve ser entendido pelos indivíduos de habilidade comum na técnica que o invólucro de ventilador 40 pode ser configurado para ser sustentado em relação ao motor de núcleo 14 por uma pluralidade de palhetas-guia de saída espaçadas circunferencialmente que se estendem de maneira substancialmente radial 42. Como tal, o invólucro de ventilador 40 pode envolver o rotor de ventilador 38 e suas lâminas de rotor de ventilador 44 correspondentes. Além disso, uma seção a jusante 46 do invólucro de ventilador 40 pode se estender sobre uma porção externa do motor de núcleo 14 de modo a definir um conduto de fluxo de ar secundário ou de desvio 48 que fornece empuxo de jato propulsor adicional.

[017] Durante a operação do motor 10, deve ser entendido que um fluxo de ar inicial (indicado pela seta 50) pode entrar no motor 10 através de uma entrada associada 52 do invólucro de ventilador 40. O fluxo de ar 50, então, passa através das lâminas de ventilador 44 e se divide em um primeiro fluxo de ar comprimido (indicado pela seta 54) que se move através do conduto 48 e um segundo fluxo de ar comprimido (indicado pela seta 56) que entra no compressor intensificador 22. A pressão do segundo fluxo de ar comprimido 56 é, então, aumentada e entra no compressor de alta pressão 24 (conforme indicado pela seta 58). Após se misturar com o combustível e ser queimado dentro do combustor 26, os produtos de combustão 60 saem do combustor 26 e fluem através da primeira turbina 28. Desde então, os produtos de combustão 60 fluem através da segunda turbina 32 e saem do bocal de escape 36 para fornecer empuxo para o motor 10.

[018] Agora com referência à Figura 2, uma vista em perspectiva de uma realização de um bocal de turbina 100 é ilustrada de acordo com aspectos da presente matéria. O bocal de turbina 100 pode ser, em geral, configurado para ser posicionado dentro de qualquer seção de turbina adequada de um motor de turbina a gás, tal como a primeira (ou alta pressão) turbina 28 e/ou a segunda (ou pressão inferior) turbina 32 do motor de turbina a gás 10 descritas acima com referência a Figura 1.

[019] Em geral, o bocal de turbina 100 pode definir um formato semelhante a anel formado por um arranjo anular de conjuntos de segmento de bocal 102. Como é geralmente entendido, os conjuntos de segmento de bocal 102 podem ser configurados para direcionar os gases de combustão que fluem ao longo do percurso de gás quente da motor de turbina 10 a jusante através de um fileira de lâminas de rotor subsequente (não mostrada) que se estende radialmente para fora a partir de um disco de rotor de suporte. Conforme mostrado na Figura 2, cada conjunto de segmento de bocal 102 pode incluir uma carenagem de bocal 104 que tem uma palheta de escora 106 que se estende entre paredes de extremidade interna e externa radialmente 108, 110 e uma ou mais palhetas de bocal secundárias 112 suportadas entre as paredes de extremidade 108, 110. Adicionalmente, cada conjunto de segmento de bocal 102 pode incluir um segmento de anel de suporte interno 114 e um gancho ou segmento de anel de suporte externo 116. Conforme mostrado na Figura 2, os segmentos de anel de suporte interno e externo 114, 116 podem ser dispostos em um arranjo anular (por exemplo, em volta do eixo geométrico de linha central do motor 12) de modo a definir os perímetros em formato de anel interno e externo, respectivamente, do bocal de turbina 100. Como será descrito abaixo, o segmento de anel de suporte externo 116 de cada conjunto de segmento de bocal 102 pode incluir, em geral, uma escora (não mostrada na Figura 2) que se estende radialmente para dentro a partir do mesmo que é configurada para ser recebida dentro da palheta de escora 106 de modo a fornecer suporte estrutural e de carga para o conjunto de segmento de bocal 102.

[020] Agora, com referência às Figuras 3 a 5, diversas vistas de um dos conjuntos de segmento de bocal 102 descritos acima com referência à Figura 2 são ilustradas de acordo com aspectos da presente matéria revelada. Especificamente, a Figura 3 ilustra uma vista em perspectiva do conjunto de segmento de bocal 102 e a Figura 4 ilustra uma vista explodida do conjunto de segmento de bocal 102 mostrado na Figura 4. Adicionalmente, a Figura 5 ilustra uma vista de corte transversal do conjunto de segmento de bocal 102 mostrado na Figura 3 tomada em relação à linha 5-5.

[021] Como mostrado, o conjunto de segmento de bocal 102 pode incluir uma carenagem de bocal 104 configurada para ser posicionada entre um segmento de suporte de anel interno 114 e um segmento de suporte de anel externo 116. Em geral, a carenagem de bocal 104 pode incluir uma palheta de escora 106 que se estende radialmente entre uma parede de extremidade interna 108 e uma parede de extremidade externa 110. A palheta de escora 106 pode ser configurada para definir um perfil de seção de corte transversal aerodinâmico, tal como definindo qualquer formato de aerofólio adequado tipicamente utilizado para palhetas de bocal dentro de um motor de turbina a gás. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 5, a palheta de escora 106 pode definir um formato de aerofólio que inclui um lado de pressão 120 e um lado de sucção 122 que se estendem entre e uma borda de ataque 124 e um borda de fuga 126. Adicionalmente, conforme mostrado na Figura 5, a palheta de escora 106 pode ser configurada para ser oca. Como será descrito abaixo, essa configuração oca pode permitir que a palheta 106 receba uma escora de carga do conjunto de segmento de bocal 102.

[022] Além disso, conforme particularmente mostrado na Figura 4, a palheta de escora 106 pode ser configurada para se estender radialmente de ponta a ponta entre as paredes de extremidade interna e externa 108, 110. Como resultado, as paredes de extremidade interna e externa 108, 110 podem ser, em geral, configuradas para definir radialmente limites de percurso de fluxo interno e externo, respectivamente, para os gases de combustão quentes que fluem ao longo do percurso de gás quente do motor de turbina 10. Por exemplo, os gases de combustão que fluem passada a palheta de escora 106 podem geralmente ser direcionados entre as paredes de extremidade interna e externa 108, 110 ao longo do formato aerodinâmico da palheta 106.

[023] Em diversas realizações, a palheta de escora 106 e as paredes de extremidade 108, 110 podem ser configuradas para serem formadas como um componente unitário, único. Nessas realizações, a palheta de escora 106 e as paredes de extremidade 108, 110 podem ser formadas integralmente com o uso de qualquer processo de fabricação adequado conhecido na técnica. Como indicado acima, esses componentes podem, em uma realização, ser formados a partir de um material de CMC adequado. Nesse caso, qualquer processo adequado conhecido para a fabricação de componentes com o uso de materiais de CMC pode ser utilizado para formar a palheta de escora 106 e as paredes de extremidade 108, 110 como um componente integral, tal como moldagem por injeção, fundição de deslizamento, fundição em fita, métodos de infiltração (por exemplo, infiltração de vapor químico, infiltração por derretimento e/ou similares) e vários outros métodos e/ou processos adequados. No entanto, em uma realização alternativa, a palheta de escora 106 e as paredes de extremidade 108, 110 podem ser fabricadas como componentes separados.

[024] Adicionalmente, como indicado acima, o conjunto de segmento de bocal 102 também pode incluir uma ou mais palheta secundárias 112 configuradas para serem suportadas entre as paredes de extremidade interna e externa 108, 110. Por exemplo, na realização ilustrada, o conjunto de segmento de bocal 102 é configurado como um projeto “triplo” e, portanto, inclui primeira e segunda palhetas secundárias 112 configuradas para se estender entre as paredes de extremidade 108, 110 ao longo de lados opostos da palheta de escora 106. No entanto, em outra realização, o conjunto de segmento de bocal 102 pode ser configurado como um projeto “duplo”. Nessa realização, o conjunto de segmento de bocal 102 pode incluir apenas uma única palheta secundária 112 que se estende entre as paredes de extremidade 108, 110 ao lado da palheta de escora 106 (por exemplo, ao longo de um dos lados da palheta de escora 106).

[025] Como mostrado na realização ilustrada, cada palheta secundária 112 pode, em geral, se estender radialmente entre uma extremidade de palheta interna 130 (Figura 4) e uma extremidade de palheta externa 132 (Figura 4) e pode definir um perfil de seção de corte transversal aerodinâmico entre suas extremidades interna e externa 130, 132. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 5, as palhetas secundárias 112 podem definir formato aerodinâmico igual ou similar à palheta de escora 106, tal como definindo um formato de aerofólio que inclui um lado de pressão 134 e um lado de sucção 136 que se estendem entre uma borda de ataque 138 e uma borda de fuga 140. Adicionalmente, em diversas realizações, cada palheta secundária 112 pode ser configurada para ser oca ou substancialmente oca de modo a definir um ou mais percursos de fluxo para fornecer um meio de refrigeração (por exemplo, ar) através da palheta 112. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 5, cada palheta secundária 112 define de forma simples uma única cavidade interna 142 para receber um meio de refrigeração. No entanto, em outras realizações, as palhetas secundárias 112 podem definir uma pluralidade de canais internos para receber um meio de refrigeração (por exemplo, em um padrão de fluxo semelhante à serpentina no interior de cada palheta 112). Alternativamente, as palhetas secundárias 112 podem ser configuradas para definir uma seção transversal sólida.

[026] Durante a instalação das palhetas secundárias 112 dentro do conjunto de segmento de bocal 102, as palhetas 112 podem, em diversas realizações, ser configuradas para serem inseridas através de uma ou ambas as paredes de extremidade 108, 110. A esse respeito, as paredes de extremidade 108, 110 podem definir fendas em formato de aerofólio (ou outras fendas de formato adequado) para receberem porções das palhetas secundárias 112. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 4, a parede de extremidade externa 110 pode definir primeira e segunda fendas externas 144, 146 para receber porções correspondentes da primeira e da segunda palhetas 112, respectivamente, e a parede lateral interna 108 pode definir a primeira e a segunda fendas internas 148, 150 para receber porções correspondentes da primeira e da segunda palhetas 112, respectivamente. Nessa realização, as palhetas secundárias 112 podem ser posicionadas dentro das fendas 144, 146, 148, 150 de modo que a extremidade de palheta interna 130 de cada palheta 112 se estenda radialmente para dentro além da parede de extremidade interna 108 e a extremidade de palheta externa 132 de cada palheta 112 se estenda radialmente para fora além da parede de extremidade externa 110. Como será descrito abaixo, configurando-se as extremidades 130, 132 das palhetas secundárias 112 para se estenderem radialmente além das paredes de extremidade interna e externa 108, 110, as palhetas secundárias 112 podem ser configuradas para serem fixadas a ou presas dentro de porções dos segmentos de suporte de anel interno e externo 114 116 para garantir que as palhetas 112 sejam suportadas de forma apropriada dentro do conjunto de segmento de bocal 102.

[027] Deve ser avaliado que, em diversas realizações, a palheta de escora 106, as paredes de extremidade 108, 110 e as palhetas secundárias 112 podem ser todas formadas a partir de um material não metálico que tenha um coeficiente de expansão térmica relativamente baixo. Por exemplo, como indicado acima, a palheta de escora 106, as paredes de extremidade 108, 110 e as palhetas secundárias 112 pode ser todas formadas a partir de um material de CMC. Nessas realizações, o material de CMC pode corresponder, em geral, a qualquer material de CMC adequado conhecido na técnica e, portanto, pode incluir, em geral, uma matriz cerâmica que tenha um material de reforço adequado incorporado em seu interior para melhorar as propriedades do material (por exemplo, a resistência do material e/ou as propriedades termofísicas). Em uma realização, o material de CMC usado pode ser configurado como um material de CMC reforçado por fibra contínua. Por exemplo, materiais de CMC reforçado por fibra contínua adequados podem incluir, porém, sem limitação, materiais de CMC reforçados com fibras de carbono contínuas, fibras de óxido, fibras de monofilamento de carboneto de silício e outros materiais de CMC, incluindo sobreposições de fibra contínua e/ou pré-formas de fibra tecida. Em outras realizações, o material de CMC usado pode ser configurado como um material de CMC reforçado por descontínuo. Por exemplo, materiais de CMC reforçados por descontínuos adequados podem incluir, porém, sem limitação, materiais de CMC reforçados por particulados, plaqueta, haste, fibra descontínua, in situ e nanocompósito.

[028] Como indicado acima, o conjunto de segmento de bocal 102 também pode incluir um segmento de suporte de anel interno 114 e um segmento de suporte de anel externo 116. Em diversas realizações, a palheta de escora 106 e as paredes de extremidade 108, 110 da carenagem de bocal 104, juntamente com as palhetas secundárias 112, podem ser configuradas para serem sanduichadas entre os segmentos de suporte de anel interno e externo 114, 116. Por exemplo, como mostrado na realização ilustrada, o segmento de suporte de anel interno 114 pode corresponder, em geral, à porção mais interna radialmente do conjunto de segmento de bocal 102 e pode ser configurado para ser posicionado direcionalmente adjacente à parede de extremidade interna 108 quando os vários componentes são montados. De maneira similar, o segmento de suporte de anel externo 116 pode corresponder, em geral, à porção mais externa radialmente do conjunto de segmento de bocal 102 e pode ser configurado para ser posicionado direcionalmente adjacente à parede de extremidade externa 110 quando os vários componentes são montados.

[029] Em diversas realizações, o segmento de suporte de anel interno 114 pode incluir um segmento de banda interna arqueado 160 configurado para ser posicionado direcionalmente adjacente à parede de extremidade interna 108 de modo que as extremidades de palheta internas 130 das palhetas secundárias 112 possam ser recebidas dentro de e/ou acopladas às porções do segmento de banda interna 160. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 4, a primeira e a segunda cavidades de palheta 162, 164 podem ser definidas em uma superfície externa 166 do segmento de banda interna 160 para receber as extremidades de palheta internas 130 da primeira e da segunda palhetas secundárias 112, respectivamente. Especificamente, como indicado acima, as palhetas secundárias 112 podem ser configuradas para se estenderem através da parede de extremidade interna 108 de modo que a extremidade de palheta interna 130 de cada palheta 112 se projete radialmente para dentro da parede de extremidade interna 108. Nessa realização, a extremidade das palhetas internas 130 das palhetas secundárias 112 pode ser recebida dentro das cavidades de palheta correspondentes 162, 164 definidas pelo segmento de banda interna 160 para suportar as palhetas secundárias 112 dentro do conjunto 102.

[030] Deve ser avaliado que, em diversas realizações, as extremidades de palheta internas 130 das palhetas secundárias 112 podem ser configuradas para serem restringidas na direção axial e/ou circunferencial dentro das cavidades de palheta 162, 164 ao mesmo tempo em que ainda podem se mover de forma livre radialmente em relação ao segmento de banda interna 102. Conforme mostrado na Figura 4, em uma realização, essa restrição axial e/ou circunferencial das extremidades de palheta internas 130 das palhetas secundárias 112 pode ser obtida por meio de uma guia 198 que se estende radialmente para fora a partir da extremidade de palheta interna 130 de cada palheta secundária 112.

[031] Adicionalmente, em diversas realizações, o segmento de suporte de anel interno pode incluir ou ser acoplado a um mecanismo de vedação interestágio168 (mostrado em linhas tracejadas) que se estende para fora do segmento de banda interna 160. Nessas realizações, o mecanismo de vedação interestágio 168 pode ser configurado para ter qualquer configuração adequada conhecida na técnica para permitir que o mecanismo 168 forneça vedação entre discos de rotor adjacentes e/ou entre um disco de rotor e uma estrutura separada do motor de turbina a gás 10. Por exemplo, o mecanismo de vedação interestágio 168 pode incluir um ou mais elementos de colmeia para vedação de encontro aos dentes de rotor correspondentes ou outras projeções que se estendam para fora do(s) disco(s) de rotor adjacente(s) do motor de turbina a gás 10.

[032] Como mostrado na realização ilustrada, o segmento de suporte de anel externo 116 do conjunto de segmento de bocal 102 pode incluir, em geral, um segmento de banda externa arqueado 170 configurado para ser posicionado direcionalmente adjacente à parede de extremidade externa 110 de modo que as extremidades externas de palheta 132 das palhetas secundárias 112 possam ser recebidas dentro de e/ou acopladas às porções do segmento de banda externa 170. Por exemplo, em diversas realizações, a primeira e a segunda cavidades de palheta 172, 174 podem ser definidas em uma superfície interna (não mostrada) do segmento de banda externa 170 para receber as extremidades externas de palheta 132 da primeira e da segunda palhetas secundárias 112, respectivamente. Especificamente, como indicado acima, as palhetas secundárias 112 podem ser configuradas para se estenderem através da parede de extremidade externa 110 de modo que a extremidade de palheta externa 132 de cada palheta secundária 112 se projete radialmente para fora da parede de extremidade externa 110. Nessa realização, as extremidades externas de palheta 132 da primeira e da segunda palhetas secundárias 112 podem ser recebidas dentro das cavidades de palheta correspondentes 172, 174 definidas pelo segmento de banda externa 170 para suportar as palhetas secundárias 112 dentro do conjunto 102.

[033] Deve ser avaliado que, em diversas realizações, as extremidades externas de palheta 132 das palhetas secundárias 112 podem ser configuradas para serem presas dentro das cavidades de palheta 172, 174 com o uso de qualquer meio e/ou método de fixação adequado. Por exemplo, como mostrado na realização ilustrada, cada extremidade de palheta externa 132 pode incluir uma guia de montagem 176 configurada para se projetar radialmente para fora da mesma. Como particularmente mostrado na Figura 4, cada guia de montagem 176 pode definir um orifício atravessante 178 configurado para receber um pino de montagem 180. Nessa realização, as cavidades 172, 174 definidas no segmento de banda externa 170 podem ser moldadas ou de outra forma formadas de modo a acomodar a montagem das palhetas secundárias 112 ao suporte de anel externo 116 através de uma conexão por pino por meio dos pinos de montagem 180. Por exemplo, conforme mostrado nas Figuras 3 e 4, cada cavidade 172, 174 pode incluir uma porção elevada 182 configurada para receber a guia de montagem 176 da palheta correspondente 112. Além disso, um orifício atravessante 184 pode ser definido através da porção elevada 182 de cada cavidade 172, 174 que é configurado para ser alinhado ao orifício atravessante 178 definido em cada guia de montagem 176 quando as extremidades externas de palheta 132 das palhetas secundárias 112 são recebidas dentro das cavidades 172, 174. Como tal, um pino de montagem 180 pode ser inserido através dos orifícios atravessantes alinhados 178, 184 para prender cada palheta secundária 112 ao segmento de suporte de anel externo 116. Em realizações alternativas, deve ser avaliado que as extremidades externas de palheta 132 das palhetas secundárias 112 podem ser presas dentro das cavidades 172, 174 com o uso de qualquer outro meio de fixação adequado, tal como fixação com parafuso das extremidades 132 dentro de cada cavidade 172, 175.

[034] Também deve ser avaliado que o segmento de banda externa 170 também pode incluir recursos adequados para montar e/ou vedar o segmento de suporte de anel externo 116 para uma estrutura estática (não mostrada) dentro do motor de turbina a gás 10. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 4, tanto uma extremidade dianteira 186 como um extremidade traseira 188 do segmento de banda externa 170 podem incluir recursos, tais como fendas, ranhuras, abas e/ou similares, para montar/vedar o segmento de suporte de anel externo 116 dentro do motor de turbina a gás 10.

[035] Adicionalmente, conforme mostrado na Figura 4, o segmento de suporte de anel externo 116 também pode incluir uma escora tipo cantiléver 190 que se estende radialmente para dentro a partir do segmento de banda externa 170. Especificamente, em diversas realizações, a escora 190 pode ser configurada para se estender radialmente para dentro a partir do segmento de banda externa 170 através do interior oco da palheta de escora 106 para o segmento de suporte de anel interno 114. Como resultado, a escora 190 pode ser configurada para servir como o componente primário de carga para a carenagem de bocal 104. Especificamente, cargas mecânicas aplicadas através da carenagem de bocal 104 podem ser transferidas para a escora 190 e portadas radialmente para fora para o segmento de banda externa 170, sendo que nesse ponto as cargas podem ser transferidas para a estrutura estática à qual o segmento de suporte de anel externo 116 é acoplado.

[036] Conforme mostrado na Figura 4, para permitir que a escora 190 seja recebida dentro da palheta de escora 106, aberturas de escora 191 podem ser definidas através das paredes de extremidade interna e externa 108, 110 (apenas a abertura de escora 191 definida através da parede de extremidade externa 110 é mostrada) que são alinhadas com a cavidade interna da palheta de escora 106. Desse modo, durante a montagem dos vários componentes do conjunto revelado 102, a escora 190 pode ser inserida na cavidade interna da palheta de escora 106 por meio da abertura de escora 191 definida na parede de extremidade externa 10. Além disso, uma cavidade de escora 192 pode ser definida no segmento de banda interna 160 do segmento de suporte de anel interno 114 que é configurado para receber um extremidade livre ou da ponta 193 da escora 190. Especificamente, em diversas realizações, quando a escora 190 é inserida totalmente dentro da carenagem de bocal 104 (por exemplo, de modo que o segmento de banda externa 170 contate ou seja posicionado de outra forma direcionalmente adjacente à parede de extremidade externa 110), a extremidade da ponta 193 da escora 190 pode se projetar radialmente para dentro a partir da parede de extremidade interna 108. Nessas realizações, a extremidade da ponta 193 pode ser recebida dentro da cavidade de escora 192 definida pelo segmento de banda interna 160 para permitir que a escora 190 seja acoplada entre os segmentos de suporte de anel externo e interno 114, 116. Por exemplo, a extremidade da ponta 193 da escora 190 pode ser presa dentro da cavidade de escora 192 com o uso de uma conexão por pino, por brasagem ou soldagem da extremidade da ponta 193 dentro da cavidade 192 e/ou pelo uso de qualquer outro meio e/ou método de fixação adequado.

[037] Deve ser avaliado que, em diversas realizações, a escora 190 e o segmento de banda externa 170 do suporte de anel externo 116 podem ser configurados para serem formados como um componente unitário, único. Nessas realizações, a escora 190 e o segmento de banda externa 170 podem ser formados integralmente com o uso de qualquer processo de fabricação adequado conhecido na técnica, tal como fundição, moldagem, usinagem, etc. No entanto, em uma realização alternativa, a escora 190 e o segmento de banda externa 170 podem ser fabricados como componentes separados. Nessa realização, a escora 190 pode ser configurada para ser acoplada ao segmento de banda externa 170 com o uso de qualquer meio e/ou método adequado que permita a escora seja escorada a partir do segmento de banda externa 170.

[038] Também deve ser avaliado que, em diversas realizações, tanto a escora 190 como o segmento de banda externa 170 podem ser formados a partir de um material metálico. Por exemplo, materiais metálicos adequados podem incluir, porém, sem limitações, ligas de níquel de cristal único e não de cristal único.

[039] Adicionalmente, em diversas realizações, a escora 190 pode ser, em geral, configurada para definir uma seção transversal em formato de aerofólio aerodinâmica. Especificamente, conforme mostrado na Figura 5, a escora pode definir um formato de seção transversal correspondente, em geral, ao formato de seção transversal aerodinâmico da palheta de escora 106. No entanto, em outras realizações, a escora 190 pode definir qualquer outro formato adequado que permita que a mesma seja inserida dentro da palheta de escora 106.

[040] Além disso, em diversas realizações, um ou mais percursos de fluxo podem ser definidos em volta e/ou na escora 190 para receber um meio de refrigeração dentro da palheta de escora 106 para refrigerar a palheta 106 e/ou a escora 190. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 5, uma lacuna 194 pode ser definida entre uma superfície interna 195 da palheta de escora 106 e uma superfície externa 196 da escora 190 que definem um percurso de fluxo para receber um meio de refrigeração entre a palheta de escora 106 e a escora 190. Além disso, conforme mostrado na Figura 5, a escora 190 pode definir um ou mais canais de refrigeração internos 197 para receber um meio de refrigeração dentro da escora 197. Nessa realização, os canais de refrigeração internos 197 podem ser isolados fluidamente da lacuna 194 definida entre a palheta de escora 106 e a escora 190. Alternativamente, os canais de refrigeração internos 197 podem ficar em comunicação fluida com a lacuna 194. Por exemplo, orifícios de refrigeração adequados (não mostrados) podem ser definidos através da escora 190 entre sua superfície externa 196 e o(s) canal(canais) de refrigeração 197 para direcionar uma porção do meio de refrigeração que flui através de o(s) canal(canais) de refrigeração 197 para dentro da lacuna 194.

[041] Essa descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo e também para permitir que qualquer indivíduo versado na técnica pratique a invenção, incluindo fazer e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram às pessoas versadas na técnica. Tais outros exemplos são destinados a estar dentro do escopo das reivindicações caso os mesmos incluam elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações ou caso os mesmos incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

Reivindicações

Claims

1. CONJUNTO DE SEGMENTO DE BOCAL (102) para um motor de turbina a gás (10), caracterizado pelo fato de que o conjunto de segmento de bocal (102) compreende: um segmento de suporte de anel externo (116) e um segmento de suporte de anel interno (114); uma carenagem de bocal (104) posicionada entre os segmentos de suporte de anel interno e externo (114, 116), em que a carenagem de bocal (104) é formada a partir de um material compósíto de matriz cerâmica (CMC), em que a carenagem de bocal (104) inclui uma parede de extremidade externa (110) configurada para ser posicionada adjacente ao segmento de suporte de anel externo (116) e uma parede de extremidade interna (108) configurada para ser posicionada adjacente ao segmento de suporte de anel interno (114), em que a carenagem de bocal (104) compreende adicionalmente uma palheta de escora (106) que se estende entre as paredes de extremidade interna e externa (108, 110); uma escora metálica que se estende através da palheta de escora (106) entre os suportes de anel externo e interno (116, 114); e pelo menos uma palheta secundária (112) configurada para ser recebida através de pelo menos uma dentre a parede de extremidade externa (110) ou a parede de extremidade interna (108) da carenagem de bocal (104) de modo que a pelo menos uma palheta secundária (112) se estenda entre as paredes de extremidade interna e externa (108, 110) em uma localização adjacente à palheta de escora (106).

2. CONJUNTO DE SEGMENTO DE BOCAL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a parede de extremidade externa (110) define uma fenda externa (146) e a parede de extremidade interna (108) define uma fenda interna, em que porções separadas da pelo menos uma palheta secundária (112) são configuradas para serem recebidas dentro das fendas externa e interna.

3. CONJUNTO DE SEGMENTO DE BOCAL, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma palheta secundária (112) se estende radialmente entre uma extremidade de palheta externa (132) e uma extremidade de palheta interna (130), em que a pelo menos uma palheta secundária (112) é configurada para se estender através das fendas interna e externa (144, 146) de modo que a extremidade de palheta externa (132) se estenda radialmente para fora a partir da parede de extremidade externa (110) e a extremidade de palheta interna (130) se estenda radialmente para dentro a partir da parede de extremidade interna (108).

4. CONJUNTO DE SEGMENTO DE BOCAL, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a extremidade de palheta externa (132) é configurada para ser recebida dentro de uma cavidade de palheta definida no suporte de anel externo (116).

5. CONJUNTO DE SEGMENTO DE BOCAL, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma palheta secundária (112) compreende uma guia de montagem que se estende a partir da extremidade de palheta externa (132), em que a guia de montagem definir um orifício atravessante configurado para receber um pino de montagem para acoplar a pelo menos uma palheta secundária (112) ao suporte de anel externo (116).

6. CONJUNTO DE SEGMENTO DE BOCAL, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a extremidade de palheta interna (130) é configurada para ser recebida dentro de uma cavidade de palheta definida no suporte de anel interno (114).

7. CONJUNTO DE SEGMENTO DE BOCAL, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a extremidade de palheta interna (130) é configurada para ser acoplada dentro da cavidade.

8. CONJUNTO DE SEGMENTO DE BOCAL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as paredes de extremidade interna e externa (108, 110) e a palheta de escora (106) são formadas integralmente como um componente unitário único.

9. CONJUNTO DE SEGMENTO DE BOCAL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a escora metálica se estende radialmente para dentro a partir do suporte de anel externo (116) através da palheta de escora (106).

10. CONJUNTO DE SEGMENTO DE BOCAL, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o segmento de suporte de anel externo (116) compreende um segmento de banda externa (170), em que a escora metálica e o segmento de banda externa (170) são formados integralmente como um componente unitário único.

11. CONJUNTO DE SEGMENTO DE BOCAL, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a escora metálica se estende radialmente para dentro a partir do suporte de anel externo (116) a uma extremidade da ponta (193), em que a extremidade da ponta (193) é configurada para ser recebida dentro de uma cavidade de escora (192) definida no segmento de suporte de anel interno (114).

12. CONJUNTO DE SEGMENTO DE BOCAL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma lacuna (194) é definida entre uma superfície interna da palheta de escora (106) e um externo superfície da escora (190) quando a escora (190) é recebida dentro da palheta de escora (106).

13. CONJUNTO DE SEGMENTO DE BOCAL (102), de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a lacuna (194) é configurada para receber um meio de refrigeração para refrigerar pelo menos uma dentre a palheta de escora (106) ou a escora (190).

14. MOTOR DE TURBINA A GÁS, caracterizado pelo fato de que compreende: um compressor; um combustor em comunicação de fluxo com o compressor; e uma turbina configurada para receber produtos de combustão provenientes do combustor, em que a turbina inclui um bocal de turbina que tem um arranjo anular de conjuntos de segmento de bocal, em que cada um do conjuntos de segmento de bocal compreende: um segmento de suporte de anel externo (116) e um segmento de suporte de anel interno (114); uma carenagem de bocal (104) posicionada entre os segmentos de suporte de anel interno e externo (114, 116), em que a carenagem de bocal (104) é formada a partir de um material compósito de matriz cerâmica (CMC), em que a carenagem de bocal (104) inclui uma parede de extremidade externa (110) configurada para ser posicionada adjacente ao segmento de suporte de anel externo (116) e uma parede de extremidade interna (108) configurada para ser posicionada adjacente ao segmento de suporte de anel interno (114), em que a carenagem de bocal (104) compreende adicionalmente uma palheta de escora (106) que se estende entre as paredes de extremidade interna e externa (108, 110); uma escora metálica que se estende através da palheta de escora (106) entre os suportes de anel externo e interno (116, 114); e pelo menos uma palheta secundária (112) configurada para ser recebida através de pelo menos uma dentre a parede de extremidade externa (110) ou a parede de extremidade interna (108) da carenagem de bocal (104) de modo que a pelo menos uma palheta secundária (112) se estenda entre as paredes de extremidade interna e externa (108, 110) em uma localização adjacente à palheta de escora (106).

15. MOTOR DE TURBINA A GÁS (10), de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a parede de extremidade externa (110) definir uma fenda externa (146) e a parede de extremidade interna (108) definir uma fenda interna, em que porções separadas da pelo menos uma palheta secundária (112) são configuradas para serem recebidas dentro das fendas externa e interna.