BR102016007109A2 - aerofólio para um quadro de turbina - Google Patents

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Martin Wayne Frash
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Abstract

trata-se de um quadro de turbina para um motor de turbina que tem uma linha central axial, em que o quadro de turbina compreende um cubo interno, um cubo externo que cerca o cubo interno, uma pluralidade de suportes que se estendem entre os cubos interno e externo e têm uma porção de largura máxima em relação à linha central axial e um aerofólio que compreende pelo menos a primeira e a segunda carenagens montadas nos cubos interno e externo e que cerca um dos suportes.

Description

“AEROFÓLIO PARA UM QUADRO DE TURBINA” Antecedentes da Invenção [001] Os motores de turbina e, particularmente, os motores de turbina de combustão ou a gás, são motores giratórios que extraem energia de um fluxo de gases queimados que passa através do motor sobre uma multiplicidade de lâminas de turbina. Os motores de turbina a gás incluem tipicamente um quadro de turbina estacionário que sustenta uma pluralidade de palhetas separadas circunferencialmente que tem um formato de um aerofólio, que são expostas a altas temperaturas em operação. É desejável aumentar as temperaturas de operação dentro de motores de turbina a gás o máximo possível para aumentar tanto a saída quanto a eficácia.
[002] Para proteger os suportes do quadro de turbina contra altas temperaturas, pode-se usar uma carenagem envolvente de uma peça. Essa configuração exige que os suportes sejam separáveis do conjunto de quadro no cubo, no anel externo ou em ambos para permitir a instalação de carenagem sobre os suportes. Isso torna a instalação e a manutenção de campo difíceis. Uma disposição de carenagem dividida, em que as seções dianteira e traseira são ensanduichadas em torno dos suportes, pode ser usada, mas depende de uma função de intertravamento para manter as metades de carenagem juntas após a montagem no quadro. Essa função de intertravamento consome uma quantidade significativa de espaço físico e, portanto, é menos desejável para o uso em muitas configurações de quadro, uma vez que a mesma aumenta o bloqueio aerodinâmico.
Breve Descrição da Invenção [003] Em um aspecto, uma realização da invenção se refere a um aerofólio para um quadro de turbina que tem cubos interno e externo conectados por uma pluralidade de suportes com uma porção de largura máxima em relação a um centro axial do quadro de turbina, em que o aerofólio compreende pelo menos uma primeira e uma segunda carenagens conectadas ao longo da primeira e da segunda linhas de junção para formar o aerofólio e definir um interior dimensionado para receber um dos suportes quando a primeira e a segunda carenagens são montadas no quadro de turbina, em que as primeiras linhas de junção são localizadas de modo que a primeira linha de junção esteja à frente da porção de largura máxima e a segunda linha de junção esteja atrás da porção de largura máxima quando a primeira e a segunda carenagens estão montadas no quadro de turbina e um suporte é recebido no interior.
[004] Em outro aspecto, uma realização da invenção se refere a um quadro de turbina para um motor de turbina que tem uma linha central axial, em que o quadro de turbina inclui um cubo interno, um cubo externo que cerca o cubo interno, uma pluralidade de suportes que se estendem entre os cubos interno e externo e que têm uma porção de largura máxima em relação à linha central axial, um aerofólio que compreende pelo menos uma primeira e uma segunda carenagens montadas nos cubos interno e externo e que cercam um dos suportes e estão em contiguidade ao longo da primeira e da segunda linhas de junção , em que a primeira linha de junção é localizada axialmente à frente da segunda linha de junção.
Breve Descrição das Figuras Desenhos [005] A Figura 1 é um diagrama em corte transversal esquemático de um motor de turbina a gás para uma aeronave.
[006] A Figura 2 é uma vista em perspectiva de um quadro de escape de turbina do motor da Figura 1.
[007] A Figura 3 é uma vista explodida do quadro de escape de turbina da Figura 2.
[008] A Figura 4 é um corte transversal de um aerofólio de peça única da técnica anterior para um quadro de turbina.
[009] A Figura 5 é um corte transversal de um exemplo da técnica anterior de um corte transversal de aerofólio dividido ou de múltiplas peças para um quadro de turbina.
[010] A Figura 6 é uma vista em corte transversal de uma palheta de aerofólio tomada ao longo da linha VI-VI da Figura 2 Descrição das Realizações da Invenção [011] Para propósitos de explicação do ambiente das realizações da invenção, a Figura 1 ilustra um motor de turbina a gás 10 para uma aeronave. O motor 10 tem um eixo geométrico que se estende, em geral, de modo longitudinal ou uma linha central 12 que se estende da parte dianteira 14 para a traseira 16. O motor 10 inclui, em relação de fluxo em série a jusante, uma seção de ventilador 18 que inclui um ventilador 20, uma sessão de compressor 22 que inclui um compressor de reforço ou de baixa pressão (LP) 24 e um compressor de alta pressão (HP) 26, 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.
[012] A seção de ventilador 18 inclui um invólucro de ventilador 40 que circunda o ventilador 20. O ventilador 20 inclui uma pluralidade de lâminas de ventilador 42 dispostas radialmente ao redor da linha central 12.
[013] 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 ventilador 40. Um eixo ou bobina de HP 48 disposto coaxialmente ao redor da linha central 12 do motor 10 conecta por meio de acionamento a turbina de HP 34 ao compressor de HP 26. Um eixo ou bobina de LP 50, que está disposto coaxialmente ao redor da linha central 12 do motor 10 dentro da bobina de HP anular de diâmetro maior 48, conecta por acionamento a turbina de LP 36 ao compressor de LP 24 e ao ventilador 20.
[014] 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 lâminas de compressor 56, 58 gira em relação a um conjunto correspondente de palhetas de compressor estáticas 60, 62 (também chamadas de bocais) para comprimir ou pressurizar a corrente de fluido que passa através do estágio. Em um estágio de compressor único 52, 54, múltiplas lâminas 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 plataforma de lâmina para uma ponta de lâmina, enquanto as lâminas de compressor estáticas correspondentes 60, 62 são posicionadas a jusante de e adjacentes às lâminas giratórias 56, 58.
[015] A turbina de HP 34 e a turbina de LP 36 incluem, respectivamente, uma pluralidade de estágios de turbinas 64, 66, em que um conjunto de lâminas de turbina 68, 70 é girado em relação a um conjunto de palhetas de turbina estáticas correspondentes 72, 74 (também chamadas um bocal) para extrair energia da corrente de fluido que passa através do estágio. Em um estágio de turbina único 64, 66, múltiplas lâminas 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 plataforma de lâmina para uma ponta de lâmina, enquanto as palhetas de turbina estáticas correspondentes 72, 74 são posicionadas a montante de e adjacentes às lâminas giratórias 68, 70.
[016] Em operação, o ventilador giratório 20 supre ar ambiente ao compressor de LP 24, que, então, supre ar ambiente pressurizado ao compressor de HP 26, que pressuriza adicionalmente o ar ambiente. O ar pressurizado do compressor de HP 26 é misturado com combustível no combustor 30 e inflamado, gerando, desse modo, gases de combustão. Algum trabalho é extraído desses gases pela turbina de HP 34, o que aciona o compressor de HP 26. Os gases de combustão são descarregados na turbina de LP 36, o que extrai trabalho adicional para acionar o compressor de LP 24 e o gás de escape é, finalmente, descarregado do motor 10 através da seção de escape 38. O acionamento da turbina de LP 36 aciona a bobina de LP 50 para girar o ventilador 20 e o compressor de LP 24.
[017] Uma porção do ar ambiente fornecido pelo ventilador 20 pode desviar do núcleo de motor 44 e ser usado para resfriar as porções, especialmente as porções quentes, do motor 10 e/ou usado para resfriar ou energizar outros aspectos da aeronave. No contexto de um motor de turbina, as porções quentes do motor são, normalmente, a jusante do combustor 30, especialmente a seção de turbina 32, em que a turbina de HP 34 é a porção mais quente, uma vez que a mesma está diretamente a jusante da seção de combustão 28. Outras fontes de fluido de resfriamento podem ser, mas sem limitação, um fluido descarregado a partir do compressor de LP 24 ou do compressor de HP 26.
[018] A Figura 2 ilustra os detalhes estruturais de um quadro de escape 80 que sustenta as palhetas de turbina de LP/HP 72, 74 da Figura 1. A fim de não limitar em qual seção da turbina o quadro de escape 80 pode ser utilizado, foram dados números alternativos às palhetas nas Figuras restantes. Entretanto, será compreendido que, se o quadro de escape fosse para a turbina de alta pressão, então, o mesmo correspondería às palhetas de turbina 72 e, se o quadro de escape fosse para a turbina de baixa pressão, então, as palhetas de um quadro de escape corresponderíam às palhetas de baixa pressão 74.
[019] O quadro de escape 80 pode fornecer um trajeto de carga estrutural a partir de mancais que sustentam os eixos giratórios do motor 10 em um invólucro externo do motor 10. O quadro de escape 80 atravessa o trajeto de fluxo de gás de combustão da seção de turbina 32 e é, dessa forma, exposto a altas temperaturas em operação. Um cubo interno 82, um cubo externo 84 que circunda o cubo interno 82, e uma pluralidade de suportes 86 (mostrados em linha imaginária) que se estendem entre cubo interno 82 e o cubo externo 84 podem ser incluídos em um quadro de escape 80. Condutos 83 podem passar através de alguns dos suportes 86 e estruturas adicionais, tais como suspensores e retentores 87, podem ser incluídas no quadro de escape 80.
[020] Pode haver qualquer número de palhetas 88 e 90 incluído em um quadro de escape 80. As palhetas 88 e 90 podem ter formato de aerofólio e podem criar uma cascata de aerofólio. Durante a operação, as palhetas 88 e 90 conformam o fluxo de ar para aprimorar a eficácia do motor. Os suportes 86, que não têm formato de aerofólio, poderíam impactar negativamente o fluxo de ar; portanto, as palhetas 90 são incluídas para formar um aerofólio em torno dos suportes 86. Será compreendido que, no exemplo ilustrado, as palhetas 90 circundam os elementos estruturais, como os suportes 86, enquanto as palhetas 88 não circundam nada. A Figura 3 ilustra uma vista explodida de um quadro de escape 80 para ilustrar isso de modo mais claro.
[021] As Figuras 4 e 5 ilustram duas palhetas aerodinâmicas da técnica anterior que foram usadas anteriormente para cobrir suportes em motores convencionais. A Figura 4 ilustra uma palheta da técnica anterior na forma de uma palheta de única peça 76 que tem um formato de aerofólio. A palheta de única peça 76 exigiu que o quadro de escape, com o qual a mesma é usada, fosse produzido em pelo menos duas peças para facilitar a montagem. A Figura 5 ilustra uma palheta da técnica anterior alternativa 78 que inclui um plano dividido que inclui o eixo geométrico de empilhamento 79. Devido ao fato de o plano dividido estar ao longo do eixo geométrico de empilhamento 79, a palheta 78 exige uma espessura circunferencial maior, aumentando, desse modo, o bloqueio de área.
[022] Diferente das palhetas da técnica anterior, as realizações da invenção incluem carenagens divididas em que as linhas divididas são desalinhadas em relação aos suportes de quadro, o que permite uma redução na largura em corte transversal do aerofólio para reduzir o bloqueio aerodinâmico. O aerofólio ou a palheta 90 (Figura 2), que podem ser incluídos no quadro de escape 80, podem incluir uma primeira carenagem 92 e uma segunda carenagem 94. Tanto a primeira carenagem 92 quanto uma segunda carenagem 94 podem ser montadas tanto no cubo interno 82 quanto no cubo externo 84. A primeira e a segunda carenagens 92 e 94 podem ser montadas nos cubos interno e externo 82 e 84 de qualquer forma adequada, o que inclui que a primeira e a segunda carenagens 92 e 94 podem ser montadas díretamente nos cubos interno e externo 82 e 84 ou as mesmas têm placas de extremidade opostas montadas em um dentre os cubos interno e externo 82 e 84 correspondentes.
[023] Conforme é mais facilmente observado na Figura 5, a palheta 90 pode cercar um dos suportes 86 e a primeira carenagem 92 e a segunda carenagem 94 podem estar em contiguidade ao longo de uma primeira linha de junção 96 e de uma segunda linha de junção 98. A primeira e a segunda carenagens 92 e 94 se conectam ao longo da primeira e da segunda linhas de junção 96 e 98 para definir um interior 99 dimensionado para receber um dos suportes 86.
[024] Conforme ilustrado, o suporte 86 tem uma porção de largura máxima 89 e a primeira e a segunda linhas de junção 96 e 98 são localizadas em lados opostos axialmente da porção de largura máxima 89. A primeira linha de junção 96 pode ser localizada axialmente à frente da segunda linha de junção 98. Dessa forma, conforme ilustrado, a primeira linha de junção 96 é localizada de modo que a primeira linha de junção 96 esteja à frente da porção de largura máxima 89 do suporte 86 e a segunda linha de junção 98 esteja atrás da porção de largura máxima 89 quando a primeira e a segunda carenagens 92 e 94 são montadas no quadro de escape 80 e o suporte 86 é recebido no interior 99.
[025] A largura da palheta 90, tanto na primeira quanto na segunda linhas de junção 96 e 98, pode ser menor que a largura da porção de largura máxima 89. Isso pode incluir que a largura da palheta 90, tanto na primeira quanto na segunda linhas de junção 96 e 98, é menor que a largura na porção de largura máxima 89. A palheta 90 pode ter qualquer corte transversal adequado que inclui que a palheta 90 pode ter um corte transversal assimétrico, conforme ilustrado.
[026] Um primeiro reforçador 100 pode se estender entre a primeira e a segunda carenagens 92 e 94 e a primeira linha de junção 96 pode ser localizada no primeiro reforçador 100. Além disso, um segundo reforçador 102 pode se estender entre a primeira e a segunda carenagens 92 e 94 e a segunda linha de junção 98 pode ser localizada no segundo reforçador 102. Conforme ilustrado, o primeiro e o segundo reforçadores 100 e 102 podem ser separados axialmente um do outro e o interior 99 é localizado entre o primeiro e segundo reforçadores 100 e 102. Tanto uma superfície de alta pressão 104 quanto uma superfície de baixa pressão 106 podem ser formadas pela palheta 90. Conforme ilustrado, cada uma dentre a primeira e a segunda carenagens 92 e 94 forma pelo menos uma porção de cada uma dentre as superfícies de baixa e alta pressão 104 e 106.
[027] As realizações descritas acima possibilitam uma variedade de benefícios, o que inclui que as carenagens divididas atuam como coberturas dos suportes do quadro de escape estrutural e que um quadro de escape de peça única pode ser utilizado. Além disso, o aerofólio inclui linhas divididas que são desalinhadas ao redor dos suportes para minimizar a espessura circunferencial máxima de aerofólio, reduzindo, desse modo, o bloqueio aerodinâmico. Dessa forma, as realizações descritas acima reduzem perdas de pressão, o que resulta em vantagens comerciais, tais como perdas de quadro aerodinâmico, e permite temperaturas de operação aumentadas e eficácia aumentada.
[028] Até o ponto ainda não descrito, as funções e estruturas diferentes das várias realizações podem ser usados em combinação entre si, conforme desejado. O fato de que um recurso pode não ser ilustrado em todas as realizações não deve ser interpretado como o mesmo não estando presente, porém, isso ocorre visando a brevidade da descrição. Dessa forma, as várias funções das diferentes realizações podem ser misturadas e combinadas, conforme desejado, para formar novas realizações, se as novas realizações estiverem expressamente descritas ou não. Todas as combinações ou permutações de funções descritas no presente documento são cobertas por essa revelação.
[029] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo, e também para permitir que qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, incluindo produzir e usar quaisquer aparelhos ou sistemas, e a executar 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 se os mesmos tiverem elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.
Lista de Componentes 10 motor de turbina a gás 12 linha central 14 dianteiro 16 traseiro 18 seção de ventilador 20 ventilador 22 seção de compressor 24 compressor de baixa pressão (LP) 26 compressor de alta pressão (HP) 28 seção de combustão 30 combustor 32 seção de turbina 34 turbina de HP
36 turbina de LP 38 seção de escape 40 invólucro de ventilador 42 lâminas de ventilador 44 núcleo 46 invólucro de núcleo 48 bobina 50 bobina 52 estágio de compressor 54 estágio de compressor 56 lâminas de compressor 58 lâminas de compressor 60 palhetas de compressor 62 palhetas de compressor 64 estágio de turbina única 66 estágio de turbina única 68 lâminas de turbina 70 lâminas de turbina 72 palhetas de turbina estáticas 74 palhetas de turbina estáticas 76 palheta da técnica anterior 78 palheta da técnica anterior alternativa 79 eixo geométrico de empilhamento 80 quadro de escape 82 cubo interno 83 condutos 84 cubo externo 86 suportes 87 retentores 88 palhetas 89 porção de largura máxima 90 palheta 92 primeira carenagem 94 segunda carenagem 96 primeira linha de junção 98 segunda linha de junção 99 interior 100 primeiro reforçador 102 segundo reforçador 104 superfície de alta pressão 106 superfície de baixa pressão Reivindicações

Claims (7)

1. AEROFÓLIO (90) PARA UM QUADRO DE TURBINA (80), que tem cubos internos e externos (82,84) conectados por uma pluralidade de suportes (86) com uma porção de largura máxima (89) em relação a um centro axial do quadro de turbina (80), caracterizado pelo fato de que o aerofólio (90) compreende: - pelo menos a primeira e a segunda carenagens (92, 94) conectadas ao longo da primeira e da segunda linhas de junção (96, 98) para formar o aerofólio (90) e definir um interior (99) dimensionado para receber um dos suportes (86) quando a primeira e a segunda carenagens (92, 94) são montadas no quadro de turbina (80); e - em que a primeira linha de junção (96) é localizada de modo que a primeira linha de junção (96) esteja à frente da porção de largura máxima (89) e a segunda linha de junção (98) esteja atrás da porção de largura máxima (89) quando a primeira e a segunda carenagens (92, 94) são montadas no quadro de turbina (80) e um suporte (86) é recebido no interior (99).
2. AEROFÓLIO (90), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma superfície de baixa pressão (106) e uma superfície de alta pressão (104) e cada uma dentre a primeira e a segunda carenagens (92, 94) forma pelo menos uma porção de cada uma dentre as superfícies de baixa e alta pressão (106, 104).
3. AEROFÓLIO (90), de acordo com a reivindicação 1, que compreende adicionalmente um primeiro reforçador (100) caracterizado pelo fato de que se estende entre a primeira e a segunda carenagens (92, 94) e a primeira linha de junção (96) está localizada no primeiro reforçador (100).
4. AEROFÓLIO (90), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um segundo reforçador (102) que se estende entre a primeira e a segunda carenagens (92, 94) e a segunda linha de junção (98) está localizada no segundo reforçador (102).
5. AEROFÓLIO (90), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o primeiro e o segundo reforçadores (100, 102) são distantes axialmente um do outro e o interior (99) é localizado entre o primeiro e o segundo reforçadores (100, 102).
6. AEROFÓLIO (90), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o aerofólio (90) tem um corte transversal assimétrico.
7. AEROFÓLIO (90), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira e a segunda carenagens (92, 94) têm placas de extremidade opostas montadas em um dentre os cubos interno e externo correspondentes (82, 84).
BR102016007109A 2015-04-01 2016-03-31 aerofólio para um quadro de turbina BR102016007109A2 (pt)

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