BR102016013592A2 - Gas turbine motor - Google Patents

Description

“MOTOR DE TURBINA A GÁS” [001] Esta invenção foi feita com apoio do governo sob os No. de Contrato W911W6-13-2-0008, concedido pelo Exército dos Estados Unidos. O governo tem determinados direitos nesta invenção.

FUNDAMENTOS

[002] Esta divulgação refere-se aos motores de turbina a gás e, mais particularmente, entre outros, a um motor de turbina a gás de núcleo inverso.

[003] Os motores de turbina a gás incluem, normalmente, pelo menos uma seção de compressor, uma seção de combustor e uma seção de turbina. Durante a operação, o fluido é pressurizado na seção do compressor e misturado com o combustível e queimado na seção do combustor para gerar os gases de combustão quentes. Os gases de combustão quentes são comunicados através da seção da turbina, que extrai energia dos gases de combustão quentes para alimentar a seção de compressão e outras cargas do motor de turbina a gás.

[004] Outra característica que foi incorporada a motores de turbina a gás é um motor de núcleo inverso. Em um motor de núcleo inverso, o fluido de trabalho é redirecionado axialmente para a frente para a parte dianteira do motor. Os motores do núcleo inverso existentes são motores do tipo turbofan. Os motores de núcleo inverso podem fornecer alguma eficiência de operacional de motor adicional, mas é desejável melhorar ainda mais a sua eficiência e desenvolver tipos alternativos de motor.

SUMÁRIO

[005] Um motor de turbina a gás de acordo com a presente divulgação inclui um primeiro compressor e uma primeira turbina para acionar o primeiro compressor. Uma seção de núcleo inclui um segundo compressor e uma segunda turbina para acionar o segundo compressor. Uma terceira turbina está disposta fluidamente a jusante da primeira turbina e da segunda turbina e é configurada para acionar uma tomada de força. Um primeiro sistema de duto está organizado fluidamente entre o compressor de baixa pressão e a seção de núcleo. O primeiro sistema de duto está organizado para inverter o fluxo de fluido antes da entrada na seção de núcleo.

[006] Em outra modalidade da presente divulgação a tomada de força está axialmente atrás do primeiro compressor. A terceira turbina está axialmente atrás da tomada de força. A primeira turbina está axialmente atrás da terceira turbina. A segunda turbina está axialmente atrás da primeira turbina e o segundo compressor está axialmente atrás da segunda turbina. O segundo compressor está organizado de forma fluida após o primeiro compressor. A câmara de combustão está organizada fluidamente após o segundo compressor. A segunda turbina está organizada fluidamente após o combustor. A primeira turbina está disposta fluidamente após a segunda turbina e a terceira turbina está fluidamente disposta após a primeira turbina.

[007] Em outra modalidade da presente divulgação, o primeiro compressor está configurado para receber fluido que fluí em sentido axial para trás. O segundo compressor, a primeira turbina, a segunda turbina e a terceira turbina são configurados para receber um fluido que flui em sentido axial para frente oposto ao sentido axial para trás.

[008] Em outra modalidade da presente divulgação, a primeira turbina está fluidamente disposta entre a segunda turbina e a terceira turbina.

[009] Outra modalidade de qualquer uma das modalidades anteriores inclui um compressor centrífugo fluidamente disposto entre o segundo compressor e o combustor, em que o combustor é um combustor de fluxo inverso.

[0010] Em outra modalidade da presente divulgação, a seção do núcleo está disposta em uma extremidade axial do motor.

[0011] Em outra modalidade da presente divulgação, o primeiro sistema de duto é configurado para inverter o fluxo do fluido em 180 graus.

[0012] Em outra modalidade da presente divulgação, a segunda turbina é rotativa em tomo de um eixo. A terceira turbina é rotativa em tomo do eixo.

[0013] Em outra modalidade da presente divulgação, a tomada de força está disposta axialmente entre o primeiro compressor e a turbina de potência.

[0014] Em outra modalidade da presente divulgação, o motor é um motor de turbina.

[0015] Em outra modalidade da presente divulgação, o primeiro compressor e a primeira turbina giram como uma primeira bobina. O segundo compressor e a segunda turbina giram como uma segunda bobina. A primeira bobina é diferente da segunda bobina.

[0016] Em outra modalidade da presente divulgação, a primeira bobina e a segunda bobina giram tomo de um eixo.

[0017] Outra modalidade de qualquer uma das modalidades anteriores inclui um separador de partículas de entrada fluidamente disposto antes do primeiro compressor.

[0018] Em outra modalidade da presente divulgação, a seção do núcleo está mecanicamente dissociado do resto do motor.

[0019] Em outra modalidade da presente divulgação, a primeira turbina, a segunda turbina e a terceira turbina estão dispostas para receber o fluido de trabalho que flui em um sentido para frente.

[0020] Em outra modalidade da presente divulgação, a tomada de força está configurada para abastecer o sistema de rotor do helicóptero.

[0021] Em outra modalidade da presente divulgação, uma razão da pressão geral do primeiro compressor e do segundo compressor é entre 32:1 e 60:1.

[0022] Em outra modalidade da presente divulgação, o compressor de baixa pressão está configurado para receber fluido de trabalho que flui em sentido para trás. O compressor de alta pressão está configurado para receber o fluido de trabalho que flui em sentido para frente oposto ao sentido para trás.

[0023] Outra modalidade de qualquer uma das modalidades anteriores inclui um segundo sistema de duto fluidamente disposto após a turbina de potência e está configurado para inverter o fluxo do fluido e direcionar o fluido para fora do motor.

[0024] Em outra modalidade da presente divulgação, o compressor de baixa pressão está configurado para receber um fluido de trabalho que flui em sentido para trás. A turbina de baixa pressão está configurada para receber o fluido de trabalho que flui em sentido para frente oposto ao sentido para trás.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0025] A Figura 1 mostra, esquematicamente, um motor de núcleo inverso exemplar.

[0026] A Figura 2 mostra, esquematicamente, o percurso do fluxo do fluido de trabalho através do motor de núcleo inverso exemplar.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0027] A Figura 1 mostra, esquematicamente, um motor da turbina a gás do inverso exemplar 10. O motor 10 inclui um compressor de baixa pressão 12 e uma turbina de baixa pressão 14 para acionamento do compressor de baixa pressão 12 por meio de uma haste 16. O compressor de baixa pressão 12, a turbina de baixa pressão Mea haste 16 formam uma bobina de baixa pressão 18.

[0028] O motor 10 inclui ainda um compressor de alta pressão 20, um compressor centrífugo 22 e uma turbina de alta pressão 24 para acionar o compressor de alta pressão 20 e o compressor centrífugo 22 através de uma haste 26. O compressor de alta pressão 20, o compressor centrífugo 22, a turbina de alta pressão 24 e a haste 26 formam uma bobina de alta pressão 28. Um combustor 40 está fluidamente disposto entre o compressor centrífugo 22 e a turbina de alta pressão 24. A bobina de alta pressão 28 e o combustor 40 formam a seção do núcleo 29 do motor 10. A seção do núcleo 29 está mecanicamente dissociada e separada do resto do motor 10.

[0029] O motor 10 inclui ainda uma turbina de potência 30 para o acionamento de uma tomada de força 32 através de uma haste 34. No exemplo, a tomada de força 32 está localizada axialmente entre o compressor de baixa pressão 12 e a turbina de potência 30, em relação ao eixo A.

[0030] A haste 16, a haste 26 e a haste 34 giram em tomo do mesmo eixo central A. No entanto, uma vez que a seção do núcleo 29 está mecanicamente dissociada do resto do motor 10, a seção do núcleo 29 podería ser compensada a partir hastes 16 e 34, se necessário, para acomodar os requisitos de instalação.

[0031 ] Em um sentido axial ao longo do eixo A, onde o movimento da esquerda para a direita na Figura 1 é o movimento para a frente e para trás, o motor exemplar 10 está disposto da seguinte maneira: a tomada de força 32 está disposta axialmente atrás do compressor de baixa pressão 12; a turbina de potência 30 está disposta axialmente atrás da tomada de força 32; a turbina de baixa pressão 14 está disposta axialmente atrás da turbina de potência 30; a turbina de alta pressão 24 está disposta axialmente atrás da turbina de baixa pressão 14; o compressor centrífugo 22 está disposto axialmente atrás da turbina de alta pressão 24; o compressor de alta pressão 20 está disposto axialmente atrás da turbina de alta pressão 24.

[0032] A Figura 2 mostra, esquematicamente, o percurso do fluxo f do fluido de trabalho através do motor exemplar 10. O fluido de trabalho entra no motor e flui através de um separador de partículas de entrada 36 e, em seguida, é comprimido enquanto flui para trás através do compressor de baixa pressão 12. Depois de sair do compressor de baixa pressão 12, o fluido de trabalho entra e flui para trás através de um primeiro sistema de duto 38 disposto fluidamente entre o compressor de baixa pressão 12 e o compressor de alta pressão 20. O primeiro sistema de duto 38 inverte o percurso do fluido de trabalho antes de entrar na seção do núcleo 29.

[0033] Na seção do núcleo 29, o fluido de trabalho flui axialmente para frente através do compressor de alta pressão 20 e, em seguida, radialmente para fora através do compressor centrífugo 22. O compressor centrífugo 22 difere de um compressor axial em que o fluxo através de um compressor centrífugo inclui um componente radial.

[0034] No exemplo, o combustor 40 é um combustor de fluxo inverso de modo que o compressor centrífugo 22 oriente o fluido de trabalho no sentido adequado para que flua através do combustor 40. O fluido de trabalho flui axialmente para trás e radialmente para dentro inicialmente através do combustor 40, girando aproximadamente 90 graus e, em seguida, gira aproximadamente mais 90 graus, de modo que o seu fluxo seja axialmente para a frente a entrada da turbina de alta pressão 24. O combustor de fluxo inverso 40 inclui uma entrada 41 e uma saída 43 fluidamente a jusante e radialmente para dentro e axialmente atrás da entrada 41. Assim, depois de o fluido de trabalho ser misturado eom combustível e inflamado pelo combustor 40, ele flui axialmente para a frente através da turbina de alta pressão 24, que alimenta o compressor de alta pressão 20 e o compressor centrífugo 22. Embora um combustor de fluxo inverso seja divulgado como combustor exemplar 40, os versados na técnica, tendo o benefício desta divulgação, perceberíam que um combustor convencional pode ser utilizado.

[0035] Em seguida, o fluido de trabalho sai da seção do núcleo 29, depois de fluir através da turbina de alta pressão 24, e flui axialmente para frente através da turbina de baixa pressão 14, que alimenta o compressor de baixa pressão 12. Depois de o fluido de trabalho fluir através da turbina de baixa pressão 14, ele flui axialmente para frente através da turbina de potência 30 que alimenta a tomada de força 32. Assim, a turbina de baixa pressão 14 está fluidamente disposta entre a turbina de alta pressão 24 e a turbina de potência 30. O fluido de trabalho flui axialmente para frente através da turbina de alta pressão 24, da turbina de baixa pressão 14 e da turbina de potência 30. Depois de o fluído de trabalho fluir através da turbina de potência 30, ele flui para um segundo sistema de duto 42 que inverte o fluxo em cerca de 180° para fluir axialmente para trás e para fora do motor.

[0036] O fluido de trabalho flui através do compressor de alta pressão 20 em um sentido que é 180° diferente do sentido em que o fluído de trabalho flui através do compressor de baixa pressão 12, devido à orientação do primeiro sistema de duto 38. Conforme o fluido flui através do primeiro sistema de duto 38, ele flui através de uma primeira seção 44, em seguida, através de uma segunda seção 46, em seguida, através de uma terceira seção 48 e, por último, através de uma seção de conector 50. A primeira seção 44 direciona o fluido de trabalho, tanto radialmente para fora quanto axialmente para trás; a segunda seção 46 direciona o fluido de trabalho axialmente para trás; a terceira seção 48 direciona o fluido de trabalho radialmente para dentro e axialmente para trás; a seção do conector 50 conecta a terceira seção 48 ao compressor de alta pressão 20 e direciona o fluido de trabalho radialmente para dentro e axialmente para frente de modo que o fluido de trabalho seja direcionado através do compressor de alta pressão 20 em um sentido 180° em relação ao sentido que ele flui através do compressor de baixa pressão 12. Apesar de uma configuração exemplar para o sistema de duto 38 ser divulgada, os versados na técnica, tendo o beneficio desta divulgação, reconheceríam que as configurações alternativas poderíam ser utilizadas.

[0037] No exemplo, o compressor de baixa pressão 12, o compressor de alta pressão 20, o compressor centrífugo 22, o combustor 40, a turbina de alta pressão 24, a turbina de baixa pressão 14 e a turbina de potência 30 estão todos dispostos radialmente para dentro da segunda seção 46 do primeiro sistema de duto 38.0 combustor 40, a turbina de alta pressão 24, a turbina de baixa pressão Mea turbina de potência 30 estão axialmente no interior da segunda seção 46 do primeiro sistema de duto 38.

[0038] O segundo sistema de duto 42 inclui uma primeira seção 52 para direcionar o fluido de trabalho substancialmente radialmente para fora e uma segunda seção 54 para direcionar o fluido de trabalho axialmente para trás e para fora do motor. A segunda seção 54 do segundo sistema de duto 42 está disposto radialmente para fora do primeiro sistema de duto 38 e corre substancialmente paralela à segunda seção 46 do primeiro sistema de duto 38.

[0039] A seção do núcleo 29 está mecanicamente dissociada do resto do motor. Em uma configuração linear e convencional do motor de fluxo, os módulos estão dispostos axialmente da frente para trás: compressor de baixa pressão, compressor de alta pressão, combustor, turbina de alta pressão, turbina de baixa pressão e turbina de potência. Nesta disposição, a haste de baixa pressão deve se ajustar de forma concêntrica e radial para dentro da haste de alta pressão. Uma vez que a haste de alta pressão gira a uma velocidamente significativamente mais elevada do que a haste de baixa pressão, o diâmetro da haste de alta pressão é limitado, devido aos limites de velocidade e diâmetro dos seus rolamentos de apoio. Segue-se que o diâmetro da haste de baixa pressão também é limitado. O espaçamento axial permitido dos rolamentos da haste baixa e das limitações de diâmetro da haste baixa acarretou na provocação da haste baixa pela vibração e rotação dos limites de deflexão. Além disso, se a haste da turbina de potência é colocada para frente através da haste baixa, essas limitações de design são intensificadas. Com a configuração de fluxo inverso do motor 10, essas limitações de design são eliminadas. A haste de baixa pressão 16 e a haste de alta pressão 26 não estão aninhadas. Assim, a seção do núcleo 29 está mecanicamente dissociada.

[0040] A arquitetura do motor do núcleo inverso exemplar 10 permite que a razão da pressão global elevada (OPR) seja atingida. O motor exemplar 10 utiliza três seções do compressor (compressor de baixa pressão 12, compressor de alta pressão 20 e compressor centrífugo 22) para aumentar o fluido de trabalho a uma pressão elevada. A OPR é a compressão total através de todas as seções de compressão. Sem que haja a necessidade de aninhar a haste de baixa pressão 16 e a haste de alta pressão 26, o que afeta o desempenho, conforme descrito acima, as limitações de design nas hastes são eliminadas, permitindo que uma OPR maior seja atingida.

[0041] A localização da seção do núcleo 29 permite a facilidade de manutenção. Como é mostrado, a seção do núcleo 29 está localizada na extremidade traseira axial do motor e está remota e mecanicamente dissociada do resto do motor. A seção do núcleo é a seção do motor sujeita às temperaturas mais elevadas. Assim., também é a seção sujeita a mais problemas de deterioração e vida. Ao localizar a seção de núcleo 29 na extremidade traseira axial do motor, os componentes que compreendem a seção do núcleo 29 são mais facilmente acessíveis para manutenção. Ou seja, a seção do núcleo 29 pode ser removida e recolocada para manutenção mais facilmente quando localizada na extremidade axial do motor do que seria se estivesse localizada no centro axial do motor, onde a manutenção do núcleo exigiria a desmontagem completa do motor.

[0042] O motor 10 exemplar é um tipo de motor de turbina usado para alimentar um helicóptero. Assim, a tomada de força 32 é uma caixa de transmissão utilizada para acionar um sistema de rotor de helicóptero 60 (mostrado esquematicamente). No entanto, os versados na técnica, tendo o beneficio desta divulgação, reconheceríam que a tomada de força podería ser usada para transferir energia para outras aplicações. Assim, a divulgação não é limitada aos motores de tipo turbina e a tomada de força não se limita a alimentar um sistema de rotor de helicóptero. O motor exemplar 10 motor é um motor com potência de eixo de 3.000, mas outros tamanhos de motor são contemplados.

[0043] A descrição anterior é exemplificativa e não limitante em sua natureza. As variações e modificações dos exemplos divulgados podem se tomar evidentes para os versados na técnica que não necessariamente se afastam da essência desta divulgação. Assim, o escopo da proteção legal pode ser determinada apenas pelo estudo das reivindicações que se seguem.

REIVINDICAÇÕES

Claims (20)

1. Motor de turbina a gás, caracterizado pelo fato de que compreende: um primeiro compressor e uma primeira turbina para acionar o primeiro compressor; uma seção de núcleo que inclui um segundo compressor e uma segunda turbina para acionar o segundo compressor; uma terceira turbina disposta fluidamente a jusante da primeira turbina e da segunda turbina e configurada para acionar uma tomada de força; e um primeiro sistema de duto fluidamente disposto entre o compressor de baixa pressão e a seção de núcleo, sendo que o primeiro sistema de duto está disposto para inverter o fluxo do fluido antes da entrada na seção do núcleo.

2. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a tomada de força está axialmente atrás do primeiro compressor, a terceira turbina está axialmente atrás da tomada de força, a primeira turbina está axialmente atrás da terceira turbina, a segunda turbina está axialmente atrás da primeira turbina e o segundo compressor está axialmente atrás da segunda turbina; e o segundo compressor está fluidamente disposto após o primeiro compressor, o combustor está fluidamente disposto após o segundo compressor, a segunda turbina está fluidamente disposta após o combustor, a primeira turbina está fluidamente disposta após a segunda turbina e a terceira turbina está fluidamente disposta após a primeira turbina.

3. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o primeiro compressor está configurado para receber fluido que flui em um sentido axialmente para trás; e o segundo compressor, a primeira turbina, a segunda turbina e a terceira turbina são configurados para receber um fluido que flui em sentido axial para frente oposto ao sentido axial para trás.

4. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira turbina está fluidamente disposta entre a segunda turbina e a terceira turbina.

5. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende: um compressor centrífugo fluidamente disposto entre o segundo compressor e o combustor, em que o combustor é um combustor de fluxo inverso.

6. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seção do núcleo está disposta na extremidade axial do motor.

7. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro sistema de duto está configurado para inverter o fluxo do fluido em 180 graus.

8. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segunda turbina gira em tomo de um eixo; e a terceira turbina gira em tomo do eixo.

9. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a tomada de força está disposta axialmente entre o primeiro compressor e a turbina de potência.

10. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o motor é um motor de turbina.

11. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro compressor e a primeira turbina giram como uma primeira bobina; o segundo compressor e a segunda turbina giram como uma segunda bobina; e a primeira bobina é diferente da segunda bobina,

12. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a primeira bobina e a segunda bobina giram em tomo de um eixo.

13. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende: um separador de partículas de entrada fluidamente disposto antes do primeiro compressor.

14. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seção do núcleo está mecanicamente dissociada do resto do motor.

15. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira turbina, a segunda turbina e a terceira turbina estão dispostas para receber o fluido de trabalho que flui em um sentido para frente.

16. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a tomada de força está configurada para alimentar o sistema de rotor do helicóptero.

17. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a razão da pressão global do primeiro compressor e do segundo compressor é entre 32:1 e 60:1.

18. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o compressor de baixa pressão está configurado para receber fluido de trabalho que flui em um sentido para trás; e o compressor de alta pressão está configurado para receber o fluido de trabalho que flui em sentido para frente oposto ao sentido para trás.

19. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende: um segundo sistema de duto fluidamente disposto após a turbina de potência e configurado para inverter o fluxo do fluido e direcionar o fluido para fora do motor.

20. Motor de turbina a gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o compressor de baixa pressão está configurado para receber um fluido de trabalho que flui em um sentido para trás; e a turbina de baixa pressão está configurada para receber o fluido de trabalho que flui em sentido para frente oposto ao sentido para trás.