BR102016014940A2 - conjunto de combustor e motor de turbina a gás - Google Patents

Abstract

trata-se de um conjunto de combustor para um motor de turbina a gás que define uma direção axial. o conjunto de combustor geralmente inclui um forro, um domo anular e uma placa defletora. o forro pelo menos parcialmente define uma câmara de combustão. o domo anular define uma primeira cavidade e tem uma pluralidade de orifícios de colisão e a placa defletora define uma superfície cônica e uma superfície plana, em que uma pluralidade de orifícios de resfriamento são definidos através da placa defletora. o domo anular e a placa defletora são posicionados juntos para definir uma segunda cavidade que está em comunicação fluida com a primeira cavidade através da pluralidade de orifícios de colisão. além disso, a segunda cavidade está em comunicação fluida com a câmara de combustão através da pluralidade de orifícios de resfriamento.

Description

“CONJUNTO DE COMBUSTOR E MOTOR DE TURBINA A GÁS” Campo da Invenção [001] A presente matéria refere-se geralmente a um motor de turbina a gás, ou mais particularmente a um conjunto de combustor para um motor de turbina a gás.

Antecedentes da Invenção [002] Um motor de turbina a gás geralmente inclui uma ventoinha e um núcleo arranjados em comunicação de fluxo um com o outro. Adicionalmente, o núcleo do motor de turbina a gás geralmente inclui, na ordem de fluxo em série, uma seção de compressor, uma seção de combustor, uma seção de turbina e uma seção de exaustão. Em operação, o ar é fornecido da ventoinha para uma entrada da seção de compressor onde um ou mais compressores axiais comprimem progressivamente o ar até que o mesmo alcance a seção de combustor. O combustível é misturado com o ar comprimido e queimado dentro da seção de combustão para fornecer gases de combustão. Os gases de combustão são encaminhados a partir de seção de combustão para a seção de turbina. O fluxo de gases de combustão através da seção de turbina aciona a seção de compressor e é, então, encaminhado através da seção de escape, por exemplo, para a atmosfera.

[003] A seção de combustão do motor de turbina a gás precisa resistir a temperaturas de operação extremamente altas. Por exemplo, a mistura de ar/combustível inflamada no combustor pode alcançar temperaturas em excesso de cerca de 1.930 °C (cerca de 3.500 °F). Devido a essas altas temperaturas, blindagens térmicas (por exemplo, placas defletoras) são colocadas tipicamente ao redor de cada misturador de ar/combustível para proteger outros componentes de combustor da mistura de ar/combustível inflamada. As placas defletoras podem ser fabricadas a partir de vários materiais que são preferencialmente caracterizados por propriedades mecânicas e ambientais que são particularmente bem adequados para seu uso como uma blindagem térmica no ambiente de combustor de um motor de turbina a gás.

[004] Mais comumente, materiais de temperatura alta não tradicionais, tais como materiais compósitos de matriz de cerâmica (CMC), estão sendo usados como componentes estruturais dentro de motores de turbina a gás. Por exemplo, dada a habilidade de materiais CMC de resistirem temperaturas relativamente extremas, há um interesse particular na substituição de componentes dentro da seção de combustão do motor de turbina a gás com materiais CMC. Mais particularmente, uma ou mais blindagens térmicas de motores de turbina a gás estão sendo formados mais comumente de materiais CMC. Além disso, ou alternativamente, os componentes de combustor podem receber revestimentos de barreira térmica para garantir uma durabilidade aprimorada em ambientes de temperatura alta.

[005] Mesmo com o avanço de materiais de temperatura alta, componentes de combustor que estão mais próximos à chama de combustão ainda estão em risco de degradação prematura. Uma combustão não variável uniforme na câmara de combustão é desejável para aprimorar o desempenho e eficiência de motor. Nesse sentido, os componentes da câmara de combustão são projetados cuidadosamente para assegurar que o combustível injetado seja misturado apropriadamente com ar comprimido para alcançar a razão de ar/combustível ótima, a mistura de ar e combustível inteira é distribuída uniformemente dentro da câmara de combustão e a combustão completa da mistura é alcançada. Notavelmente, embora a distribuição de combustível aprimore a eficiência de motor, a mesma pode também resultar na chama de combustão que permanece mais próxima à porção de domo do combustor, que pode assim ser aquecida além de níveis desejáveis.

[006] Consequentemente, um combustor para um motor de turbina a gás capaz de distribuir uniformemente e inflamar otimamente a mistura de ar e combustível seria útil. Além disso, um combustor que aprimora estabilidade de fluxo no combustor enquanto garante que componentes de combustor não experimentem temperaturas inaceitáveis, aprimorando desse modo a capacidade operacional e a durabilidade do motor, seria particularmente benéfico.

Descrição Resumida da Invenção [007] 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.

[008] Em uma realização preferencial da presente revelação, um conjunto de combustor for um motor de turbina a gás que define uma direção axial é fornecido. O conjunto de combustor geralmente inclui um forro, um domo anular e uma placa defletora. O forro pelo menos parcialmente define uma câmara de combustão. O domo anular define uma primeira cavidade e tem uma pluralidade de orifícios de colisão e a placa defletora define uma superfície cônica e uma superfície plana, em que uma pluralidade de orifícios de resfriamento são definidos através da placa defletora. O domo anular e a placa defletora são posicionados juntos para definir uma segunda cavidade que está em comunicação fluida com a primeira cavidade através da pluralidade de orifícios de colisão. Além disso, a segunda cavidade está em comunicação fluida com a câmara de combustão através da pluralidade de orifícios de resfriamento.

[009] Em outra realização exemplificativa da presente revelação, um motor de turbina a gás é fornecido. O motor de turbina a gás define uma direção axial e geralmente inclui uma seção de compressor, uma seção de turbina e um conjunto de combustor. A seção de turbina é acoplada mecanicamente à seção de compressor através de uma haste e um conjunto de combustor é disposto entre a seção de compressor e a seção de turbina. O conjunto de combustor tem um eixo geométrico longitudinal e geralmente inclui um forro, um domo anular e uma placa defletora. O forro pelo menos parcialmente define uma câmara de combustão. O domo anular define uma primeira cavidade e tem uma pluralidade de orifícios de colisão e a placa defletora compreende uma superfície cônica, uma superfície plana e uma pluralidade de orifícios de resfriamento. O domo anular e a placa defletora definem uma segunda cavidade que está em comunicação fluida com a primeira cavidade através da pluralidade de orifícios de colisão. Além disso, a segunda cavidade está em comunicação fluida com a câmara de combustão através da pluralidade de orifícios de resfriamento.

[010] Essas 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, em conjunto com uma descrição, servem para explicar os princípios da invenção.

Breve Descrição das Figuras [011] Uma revelação completa e viabilizadora da presente invenção, que inclui o melhor modo da mesma, destinada um indivíduo de habilidade comum na técnica, é apresentada no relatório descritivo, que faz referência às Figuras anexas, nas quais: A Figura 1 é uma vista em corte transversal esquemática de um motor de turbina a gás exemplificativo de acordo com várias realizações da presente matéria; A Figura 2 é uma vista em corte transversal esquemática de uma realização de um combustor adequado para uso dentro do motor de turbina a gás mostrado na Figura 1; A Figura 3 é uma vista em corte transversal esquemática do conjunto de combustor exemplificativo da Figura 2; A Figura 4 é uma vista em corte transversal de perto do domo anular externo no combustor exemplificativo da Figura 3; A Figura 5 é uma vista em corte transversal em perspectiva de perto de um conjunto de combustor exemplificativo da Figura 3; A Figura 6 é uma vista em corte transversal esquemática do domo anular externo do combustor exemplificativo da Figura 2, que mostra detalhes dos orifícios de colisão e de resfriamento no domo e na placa defletora; A Figura 7 é uma vista em corte transversal esquemática de um sistema de escoamento de ar localizado na placa defletora para fornecer uma trajetória de fluxo ao redor da vedação estriada de acordo com uma realização; e A Figura 8 é uma vista em perspectiva de uma placa defletora que tem um sistema de escoamento de ar de acordo com várias realizações da presente revelação.

Descrição Detalhada da Invenção [012] Agora, será feita referência em detalhe às realizações presentes da invenção, em que um ou mais exemplos das mesmas são ilustrados nos desenhos anexos. A descrição detalhada usa designações numéricas e de letra para se referir aos recursos nos desenhos. As designações semelhantes ou similares nos desenhos e na descrição foram usadas para se referir às partes semelhantes ou similares da invenção. Conforme usado no presente documento, os termos “primeiro”, “segundo” e “terceiro” podem ser usados alternadamente para distinguir os componentes entre si e não se destinam a significar uma localização ou uma importância dos componentes individuais. Os termos “a montante” e “a jusante” se referem à direção relativa em relação ao fluxo de fluido em uma trajetória de fluido. Por exemplo, “a montante” se refere à direção a partir da qual o fluido flui, e “a jusante” se refere à direção para qual o fluido flui. Além disso, deve ser verificado que o termo “fluido” conforme usado no presente documento inclui qualquer material ou meio que flui, incluindo, mas sem limitação, gás e ar.

[013] Referindo-se agora aos desenhos, em que numerais idênticos indicam os mesmos elementos ao longo de todas as figuras, a Figura 1 é uma vista em corte transversal esquemática de um motor de turbina a gás de acordo com uma realização exemplificativa da presente revelação. Mais particularmente, para a realização da Figura 1, o motor de turbina a gás é um motor um jato de turbofan de alto desvio 10, denominado, no presente documento como “motor de turbofan 10”. Conforme mostrado na Figura 1, o motor de turbofan 10 define uma direção axial A (que se estende de modo paralelo a uma linha central longitudinal 12 fornecida para referência) e uma direção radial R. Em geral, o turbofan 10 inclui uma seção de ventoinha 14 e um motor de turbina de núcleo 16 disposto a jusante da seção de ventoinha 14.

[014] O motor de turbina de núcleo 16 retratado geralmente inclui um invólucro externo substancialmente tubular 18 que define uma entrada anular 20. O invólucro externo 18 envolve, na relação de fluxo serial, uma seção de compressor que inclui um intensificador ou compressor de baixa pressão (LP) 22 e um compressor de alta pressão (HP) 24; uma seção de combustão 26, uma seção de turbina incluindo uma turbina de alta pressão (HP) 28 e uma turbina de baixa pressão (LP) 30; e uma seção de bocal de escape de jato 32. Uma haste ou bobina de alta pressão (HP) 34 conecta, por meio de acionamento, a turbina de HP 28 ao compressor de HP 24. Uma haste ou bobina de baixa pressão (LP) 36 conecta, por meio de acionamento, a turbina de LP 30 ao compressor de LP 22.

[015] Para a realização representada, a seção de ventoinha 14 inclui uma ventoinha de passo variável 38 que tem uma pluralidade de pás de ventoinha 40 acopladas a um disco 42 de um modo separado. Conforme retratado, as pás de ventoinha 40 se estendem para fora do disco 42 geralmente ao longo da direção radial R. Cada pá de ventoinha 40 é giratória em relação ao disco 42 acerca de um eixo geométrico de passo P em virtude de as pás de ventoinha 40 serem acopladas de modo operacional a um membro de atuação 44 adequado configurado para variar coletivamente o passo das pás de ventoinha 40 em unissonância. As pás de ventoinha 40, o disco 42 e o membro de atuação 44 são giratórios juntos acerca do eixo geométrico longitudinal 12 através da haste de LP 36 através de uma caixa de engrenagens de potência 46. A caixa de engrenagens de potência 46 inclui uma pluralidade de engrenagens para reduzir a velocidade rotacional da haste de LP 36 para uma velocidade de ventoinha rotacional mais eficiente.

[016] Referindo-se ainda à realização exemplificativa da Figura 1, o disco 42 é coberto por nacela frontal giratória 48 delineada aerodinamicamente para promover um fluxo de ar através da pluralidade de pás de ventoinha 40. Adicionalmente, a seção de ventoinha exemplificativa 14 inclui um invólucro de ventoinha anular ou nacela externa 50 que circunda de modo circunferencial a ventoinha 38 e/ou pelo menos uma porção do motor de turbina de núcleo 16. Deve ser verificado que a nacela 50 pode ser configurada para ser sustentada em relação ao motor de turbina de núcleo 16 por uma pluralidade de palhetas de guia de saída circunferencialmente separadas 52. Além disso, uma seção a jusante 54 da nacela 50 pode se estender ao longo de uma porção externa do motor de turbina de núcleo 16, de modo a definir uma passagem de fluxo de ar de desvio 56 entre as mesmas.

[017] Durante a operação do motor de turbofan 10, um volume de ar 58 entra no turbofan 10 através de uma entrada associada 60 da nacela 50 e/ou da seção de ventoinha 14. À medida que o volume de ar 58 passa através das pás de ventoinha 40, uma primeira porção do ar 58, conforme indicado pelas setas 62, é direcionada ou encaminhada para uma passagem de fluxo de ar de desvio 56, e uma segunda porção do ar 58, conforme indicado pela seta 64, é direcionada ou encaminhada para o compressor de LP 22. Uma razão entre uma primeira porção de ar 62 e uma segunda porção de ar 64 é comumente conhecida como razão de desvio. A pressão da segunda porção de ar 64 é então aumentada à medida que é encaminhada através do compressor de pressão alta (HP) 24 e para a seção de combustor 26, onde a mesma é misturada com combustível e queimada para fornecer gases de combustão 66.

[018] Os gases de combustão 66 são encaminhados através da turbina de HP 28 onde uma porção de energia térmica e/ou cinética dos gases de combustão 66 é extraída por meio de estágios sequenciais de palhetas de estator de turbina de HP 68, que são acopladas ao invólucro externo 18, e de pás de rotor de turbina de HP 70 que são acopladas à haste ou bobina de HP 34, fazendo, assim, com que a haste ou bobina de HP 34 gire, sustentando desse modo, a operação do compressor de HP 24. Os gases de combustão 66 são, então, encaminhados através da turbina de LP 30 onde uma segunda porção de energia térmica e cinética é extraída dos gases de combustão 66 por meio de estágios sequenciais de palhetas de estator de turbina de LP 72 que são acopladas ao invólucro externo 18 e de pás de rotor de turbina de LP 74 que são acopladas à haste ou bobina de LP 36, fazendo, assim, com que a haste ou bobina de LP 36 gire, sustentado desse modo, a operação do compressor de LP 22 e/ou a rotação da ventoinha 38.

[019] Os gases de combustão 66 são subsequentemente encaminhados através da seção de bocal de escape de jato 32 do motor de turbina de núcleo 16 para fornecer impulso propulsor. De modo simultâneo, a pressão da primeira porção de ar 62 é substancialmente aumentada conforme a primeira porção de ar 62 é encaminhada através da passagem de fluxo de ar de desvio 56 antes que a mesma seja exaurida de uma seção de escape de bocal de ventilador 76 do turbofan 10 que também fornece empuxo propulsor. A turbina de HP 28, a turbina de LP 30 e a seção de bocal de escape de jato 32 definem, pelo menos parcialmente, uma trajetória de gás quente 78 para encaminhar os gases de combustão 66 através do motor de turbina de núcleo 16.

[020] Deve-se verificar, entretanto, que o motor de turbofan 10 exemplificativo retratado na Figura 1 é a título de exemplo apenas e que em outras realizações exemplificativas, o motor de turbofan 10 pode ter qualquer outra configuração adequada. De fato, alguém versado na técnica irá verificar que realizações da presente revelação podem ser empregadas em muitos outros tipos de motores a gás.

[021] Referindo-se, agora, à Figura 2, uma vista em corte transversal esquemática de uma realização de um combustor 26 adequado para uso no motor de turbina a gás 10 descrito acima é ilustrada de acordo com aspectos da presente matéria. Na realização exemplificativa, o combustor 26 é um único combustor anular. Entretanto, alguém versado na técnica irá verificar que o combustor pode ser qualquer outro combustor, que inclui, mas sem limitação, um combustor anular duplo ou um combustor anular tipo lata.

[022] Conforme mostrado na Figura 2, o combustor 26 inclui um forro externo 102 e um forro interno 104 dispostos entre um invólucro de combustor externo 106 e um invólucro de combustor interno 108. Os forros externo e interno 102 e 104 são espaçados radialmente um do outro de tal modo que uma câmara de combustão 110 seja definida entre os mesmos. O forro externo 102 e o invólucro externo 106 formam uma passagem externa 112 entre os mesmos e o forro interno 104 e o invólucro interno 108 foram uma passagem interna 114 entre os mesmos. O combustor 26 também inclui um eixo geométrico longitudinal 116 que se estende de uma extremidade dianteira para uma extremidade traseira do combustor 26 conforme mostrado na Figura 2.

[023] O combustor 26 pode também incluir um conjunto de combustor 118 que compreende um domo anular 120 montado a montante da câmara de combustão 110 que é configurada para ser acoplada às extremidades dianteiras dos forros externo e interno 102, 104. Mais particularmente, o conjunto de combustor 118 inclui um domo anular interno 122 fixado à extremidade dianteira do forro interno 104 e um domo anular externo 124 fixado à extremidade dianteira do forro externo 102.

[024] Conforme mostrado na Figura 2, o combustor 26 pode ser configurado para receber uma corrente anular de ar de descarga de compressor pressurizado 126 a partir de uma saída de descarga do compressor de alta pressão 24. Para auxiliar em direcionar o ar comprimido, o domo anular 120 pode compreender adicionalmente uma capota interna 128 e uma capota externa 130 que podem ser acopladas às extremidades a montante dos forros interno e externo 104 e 102, respectivamente. Em relação a isso, um invólucro anular 132 formado entre a capota interna 128 e a capota externa 130 habilita o fluido comprimido a entrar no combustor 26 através de uma abertura difusa em uma direção geralmente indicada pela seta 134. O ar comprimido pode entrar em uma primeira cavidade 136 definida pelo menos em parte pelo domo anular 120. Conforme será discutido em mais detalhes abaixo, uma porção do ar comprimido na primeira cavidade 136 pode ser usada para combustão, enquanto outra porção pode ser usada para resfriar o combustor 26.

[025] Além de direcionar ar para a primeira cavidade 136 e a câmara de combustão 110, as capotas interna e externa 128, 130 podem direcionar uma porção do ar comprimido ao redor do lado de fora da câmara de combustão 110 para facilitar o resfriamento dos forros 102 e 104. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 2, uma porção do ar de descarga de compressor 126 pode fluir ao redor da câmara de combustão 110, conforme indicado pelas setas 138 e 140, para fornecer ar de resfriamento para a passagem externa 112 e a passagem interna 114, respectivamente.

[026] Em certas realizações exemplificativas, o domo interno 122 pode ser formado integralmente como um único componente anular e similarmente, o domo externo 124 pode ser formado integralmente como um único componente anular. Deve ser verificado, entretanto, que em outras realizações exemplificativas, o domo interno 122 e/ou o domo externo 124 podem ser formados alternativamente por um ou mais componentes ligados de qualquer maneira adequada. Por exemplo, com referência ao domo externo 124, em certas realizações exemplificativas, a capota externa 130 pode ser formada separadamente a partir do domo externo 124 e fixada à extremidade dianteira do domo externo 124 com o uso, por exemplo, de um processo de soldagem ou um fixador mecânico. Adicionalmente, ou alternativamente, o domo interno 122 pode ter uma configuração similar.

[027] O conjunto de combustor 118 inclui adicionalmente uma pluralidade de conjuntos de misturador 142 espaçados ao longo de uma direção circunferencial entre o domo anular externo 124 e o domo interno 122. Em relação a isso, uma pluralidade de copos delineados espaçados circunferencialmente 144 pode ser formada no domo anular 120 e cada copo 144 define uma abertura em que um conjunto de misturador 142 é montado para introduzir a mistura de ar/combustível na câmara de combustão 110. Notavelmente, o ar comprimido pode ser direcionado da seção de compressor 26 para ou através de um ou mais dos conjuntos de misturador 142 para sustentar a combustão na extremidade a montante da câmara de combustão 110.

[028] O combustível é transportado para o combustor 26 por um sistema de distribuição de combustível (não mostrado), em que o mesmo é introduzido na extremidade frontal de um queimador maçarico em uma aspersão altamente atomizada a partir de um bocal de combustível. Em uma realização exemplificativa, cada conjunto de misturador 142 pode definir uma abertura para receber um injetor de combustível 146 (detalhes são omitidos para maior clareza). O injetor de combustível 146 pode injetar combustível em uma direção axial (isto é, ao longo do eixo geométrico longitudinal 116) assim como em uma direção geralmente radial, em que o combustível pode ser rodado com o ar comprimido de entrada. Desse modo, cada conjunto de misturador 142 recebe ar comprimido do invólucro anular 132 e combustível de um injetor de combustível 146 correspondente. Combustível e ar pressurizado são rodados e misturados por conjuntos de misturador 142 e a mistura de combustível/ar resultante é descarregada para a câmara de combustão 110 para combustão da mesma.

[029] O combustor 26 pode compreender adicionalmente um conjunto de ignição (por exemplo, um ou mais acendedores que se estendem através do forro externo 102) adequado para acender a mistura de combustível e ar. Entretanto, os detalhes dos injetares de combustível da montagem de ignição são omitidos na Figura 2 para maior clareza. Mediante a ignição, os gases de combustão resultantes podem fluir em uma direção geralmente axial (ao longo do eixo geométrico longitudinal 116) através da câmara de combustão 110 para e através da seção de turbina do motor de turbofan 10 em que uma porção de energia térmica e/ou cinética dos gases de combustão é extraída por meio de estágios sequenciais de palhetas de estator de turbina e pás de rotor de turbina. Mais especificamente, os gases de combustão podem fluir para um bocal de turbina de primeiro estágio anular 148. Conforme é geralmente compreendido, o bocal 148 pode ser definido por um canal de fluxo anular que inclui uma pluralidade de palhetas de bocal espaçadas circularmente que se estendem radialmente 150 que giram os gases de modo que fluam angularmente e colidam com as pás de turbina de primeiro estágio (não mostrado) da turbina de HP 28 (Figura 1).

[030] Referindo-se agora às Figuras 3 a 6, vistas em corte transversal de perto são fornecidas da seção de combustor 26 de acordo com uma realização. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 3, a pluralidade de conjuntos de misturador 142 é colocada circunferencialmente dentro do domo anular 120 ao redor do motor de turbina a gás 10. Os injetores de combustível (não mostrado) são dispostos em cada conjunto de misturador 142 para fornecer e sustentar o processo de combustão. Cada domo tem uma blindagem térmica, por exemplo, uma placa defletora 160, que isola termicamente o domo anular 120 das temperaturas extremamente altas geradas na câmara de combustão 110 durante a operação do motor. Os domos anulares interno e externo 122, 124 e a placa defletora 160 podem definir uma pluralidade de aberturas (por exemplo, copos delineados 144) para receber os conjuntos de misturador 142. Conforme mostrado, a pluralidade de aberturas é, em uma realização, circular.

[031] O ar comprimido (por exemplo, 126) flui para o invólucro anular 132 em que uma porção do ar 126 será usada para misturar com combustível para combustão e outra porção será usada para resfriar a placa defletora do domo 160. O conjunto de injetor de combustível 146 é omitido na Figura 3 para maior clareza, mas o ar comprimido pode fluir ao redor do injetor e através das palhetas de mistura ao redor da circunferência dos conjuntos de mistura 142, em que o mesmo é misturado com combustível e direcionado para a câmara de combustão 110. Outra porção de ar entra em uma cavidade 136 definida pelo domo anular 120 e as capotas interna e externa 128, 130. Conforme será discutido em mais detalhes abaixo com referência às Figuras 4 a 6, o ar comprimido na cavidade 136 é usado, pelo menos em parte, para resfriar o domo anular 120 e a placa defletora 160.

[032] Por exemplo, uma Figura 4 mostra uma vista em corte transversal de perto do domo anular superior 124, que define a cavidade 136. Embora a discussão restante esteja em referência a uma cavidade singular 136, alguém versado na técnica irá verificar que em algumas realizações, cada corte transversal do combustor pode compreender duas ou mais cavidades. Conforme pode ser visto, a cavidade 136 é definida entre a capota externa 130 e o domo 124, que pode ser conectada ao forro externo 102 por uma série de fixadores (por exemplo, o fixador 162). Embora o fixador retratado 162 seja uma cavilha, as realizações da presente revelação podem usar qualquer meio adequado para conectar as peças umas às outras, incluindo parafusos, cavilhas, rebites, pinos, etc.

[033] Cada conjunto de misturador 142 é disposto em um respectivo copo delineado 144 e pode ser fixado ao domo anular 120. A placa defletora 160 se estende do conjunto de misturador 142 para o forro externo 102 e é formada para ter uma superfície cônica 164 e uma superfície plana 166. Na realização ilustrada, a placa defletora 160 é delineada de tal modo que se estenda por uma distância curta na direção axial (isto é, ao longo do eixo geométrico longitudinal 116) em direção à extremidade traseira da câmara de combustão 110 antes de angular para fora em direção ao forro externo.

[034] A porção angulada da placa defletora 160, denominada no presente documento como a superfície cônica 164, pode ser definida em relação ao eixo geométrico longitudinal 116. A superfície cônica 164 pode ter um ângulo constante ao redor da circunferência de cada copo delineado 144, de tal modo que a superfície seja totalmente cônica. Por contraste, o ângulo da superfície cônica 164 pode variar ao redor da circunferência do copo delineado 144. De fato, o ângulo da superfície cônica 164 pode mesmo variar para cada copo delineado 144 ao redor do combustor anular 26. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 5, o ângulo nas porções radialmente interna e externa da superfície cônica é de aproximadamente 45°, enquanto o ângulo cônico no ponto médio radial do copo delineado 144 é 25°. Entretanto, esses ângulos podem ser variados para aprimorar o desempenho do combustor 26. Por exemplo, o ângulo cônico nas porções radialmente interna e externa da superfície externa pode variar entre 15° e 75°, dependendo da aplicação e da configuração do combustor 26. Além disso, o ângulo do ponto médio radial da superfície cônica pode ser maior ou menor do que 25° (por exemplo, cerca de 15° a cerca de 40°) dependendo do espaçamento dos injetores de combustível 146 e conjuntos de misturador 142 adjacentes. A circunferência da superfície cônica 164 de cada copo delineado 144 pode, portanto, ter um ângulo constante relativo ao eixo geométrico longitudinal 116. Alternativamente, o ângulo da superfície cônica 164 pode variar ao redor da circunferência de cada copo delineado 144 e a superfície cônica 164 de cada copo delineado 144 pode ser diferente de outros copos delineados 144 ao redor do combustor 26.

[035] A placa defletora 160 então se estende da superfície cônica 164 em uma direção geralmente radial (isto é, perpendicular ao eixo geométrico longitudinal 116) para o forro externo 102. Essa porção é denominada como a superfície plana 166 da placa defletora 160. A superfície plana 166 do domo anular 120 é substancialmente perpendicular ao eixo geométrico longitudinal 116 na realização exemplificativa, mas alguém versado na técnica irá verificar que a mesma pode também ser angulada de acordo com as necessidades de uma aplicação particular.

[036] O domo 120 e as placas defletoras 160 são desse modo delineados para estabilizar o fluxo de ar do conjunto de misturador 142 em um padrão de fluxo substancialmente não variável dentro da câmara de combustão 110. A face cônica de estabilização 164 é delineada ao redor do conjunto de misturador 142 e do eixo geométrico longitudinal 116 em ângulos constantes e variáveis para sustentar uma câmara de combustão anular 110. Mais especificamente, a face cônica 164 pode gerar um padrão de fluxo aprimorado que emana do conjunto de misturador 142. A face achatada 166 pode definir uma zona de recirculação de canto não variável para ajudar com a estabilidade de fluxo. O combustor 26 alcança assim uma eficiência e um desempenho aprimorados. Entretanto, devido ao fato de que a mistura de combustível/ar queimada tem uma temperatura extremamente alta e devido ao fato de que a face cônica 164 do domo anular 120 tende a manter a chama mais próxima da superfície do domo 180, a superfície do domo 180 pode experimentar temperaturas aumentadas que podem degradar o componente.

[037] Para as realizações retratadas, o forro interno 104, o forro externo 102, a placa defletora 160 e os outros componentes de combustor submetidos a altas temperaturas podem ser formadas de um material compósito de matriz de cerâmica (CMC), que é um material não metálico que tem capacidade de alta temperatura e baixa ductilidade. Materiais de CMC exemplificativos utilizados para tais forros 102 e 104 podem incluir carboneto de silício, silício, sílica ou materiais de matriz de alumina e combinações dos mesmos. Fibras cerâmicas podem ser incorporadas dentro da matriz, tais como fibras de reforço estáveis de oxidação. Por contraste, o domo interno 122 e o domo externo 124 podem ser formados de um metal, tal como uma superliga com base em níquel ou uma superliga com base em cobalto. Adicionalmente, ou alternativamente, esses componentes podem ser tratados com um revestimento de barreira térmica (TBC) conforme sabe-se na técnica. Desse modo, os forros internos e externos 102 e 104 podem ser mais capazes de lidar com a o ambiente de extrema temperatura apresentado na câmara de combustão 110. Embora os materiais de temperatura alta possam ser usados para aprimorar a vida útil do domo anular e outros componentes, o sistema de resfriamento descrito abaixo pode estender a vida útil ainda mais.

[038] Referindo-se especificamente à Figura 6, um método de resfriamento da superfície do domo 180 será descrito agora. Conforme mostrado, o domo 120 pode compreender uma pluralidade de orifícios de resfriamento de colisão 182 localizados preferencialmente no lado do domo 120 adjacentes à câmara de combustão 110. Esses orifícios de colisão 182 podem ser formados através de perfuração, estampagem, ou de outra forma usinagem da superfície do domo 180. Na realização exemplificativa, esses orifícios de colisão 182 são espaçados uniformemente e angulados a 60° em relação à superfície do domo 180. Entretanto, alguém versado na técnica irá verificar que o ângulo e o espaçamento dos orifícios de colisão 182 podem ser ajustados para aprimorar o desempenho. Por exemplo, os orifícios de colisão 182 podem ser angulados entre cerca de 30° e 90° em algumas realizações.

[039] Conforme discutido acima, a placa defletora 160 pode ser colocada entre o domo 120 e a câmara de combustão 110 para fornecer proteção das temperaturas extremas presentes na mesma. Um vão 184 pode ser fornecido entre a superfície do domo 180 e a placa defletora 160, de tal modo que o ar que flui através dos orifícios de resfriamento de colisão 182 possa fornecer ar de resfriamento para a superfície posterior 185 da placa defletora 160.

[040] Ainda em referência à Figura 6, placa defletora 160 pode incluir uma pluralidade de orifícios de resfriamento 186 em sua superfície cônica 164 e/ou superfície plana 166. Essa superfície de múltiplos orifícios pode fornecer um efeito de resfriamento de filme de múltiplos orifícios para o lado da placa defletora 160 exposta na câmara de combustão 110, desse modo reduzindo significativamente as temperaturas que a mesma alcança durante a operação. Na realização exemplificativa, esses orifícios de resfriamento 186 são espaçados uniformemente e angulados a 60° em relação à superfície da placa defletora 160. Entretanto, conforme alguém versado na técnica irá verificar, esses orifícios de resfriamento 186 podem ser arranjados ao longo da superfície cônica 164 e/ou superfície plana 166 da placa defletora 160 e podem ser configurados em diferentes ângulos em relação à superfície da placa defletora 160. Por exemplo, os orifícios de resfriamento 186 podem ser angulados entre cerca de 30° e 90° em algumas realizações.

[041] O vão 184 entre a placa defletora 160 e a superfície do domo 180 é vedada preferencialmente para evitar vazamentos de ar de resfriamento. Na realização ilustrada, uma junta radialmente interna 188 pode ser formada soldando-se a placa defletora 160 ao domo anular 120. Uma junta radialmente externa 190 pode ser formada dispondo-se uma vedação estriada 192 em um entalhe de recebimento formado tanto no domo anular 120 quanto na placa defletora 160. A vedação estriada 192 pode ser feita de qualquer material adequado para ligar o domo e o defletor e evitar o vazamento de ar. Na realização ilustrada, a vedação estriada 192 é um laço anular de um pedaço fino de metal. Entretanto, alguém versado na técnica irá verificar que outros meios de vedar o vão 184 são possíveis e estão dentro do escopo da presente revelação. Por exemplo, as juntas interna e externa podem ser soldadas uma à outra, ambas podem usar uma vedação estriada, ou o domo e o defletor podem ainda ser fabricados como um componente integral.

[042] Vedar o vão 184 dessa maneira cria uma bolsa de ar de resfriamento, minimiza o vazamento de fluxo de ar de resfriamento e sustenta resfriamento de múltiplos orifícios através da placa defletora 160. Dessa maneira, vendar o vão 184 pode minimizar a quantidade total de fluxo de ar de resfriamento necessária para a placa defletora 160. Por exemplo, em uma realização exemplificativa, a quantidade de fluxo de ar de resfriamento é reduzida por mais do que 50%. Esse fluxo de ar pode então ser alimentado de volta para os conjuntos de misturador 142, resultando em uma mistura de combustível e ar mais fina e um desempenho de motor aprimorado.

[043] Em algumas realizações, pode ser desejável permitir que um pouco de ar escape do vão 184 e escoa para a câmara de combustão 110. Por exemplo, conforme mostrado nas Figuras 7 e 8, um sistema de escoamento de ar 200 pode ser fornecido que compreende uma série de fendas 202 formadas na placa defletora 160 do conjunto de combustor 118. Cada fenda 202 pode compreender, por exemplo, uma cavidade de fenda 204 e uma ranhura de fenda 206. A cavidade de fenda 204 pode ser uma reentrância na parede da placa defletora que fornece comunicação de fluxo entre o vão 184 e a ranhura de fenda 206. Em relação a isso, a série de fendas 202 pode ser disposta na placa defletora 160 em uma extremidade da vedação estriada 192 e cada cavidade de fenda 204 pode ser mais ampla do que a largura da vedação estriada 192 de modo que o ar possa fluir ao redor da borda da vedação estriada 192 para a ranhura de fenda 206. A ranhura de fenda 206 pode estar em comunicação de fluxo com a câmara de combustão 110 para permitir que o ar escape (conforme indicado pela linha 208 na Figura 7) através de uma saída de ar de escoamento (por exemplo, a saída 210 na Figura 8). Embora o sistema de escoamento de ar 200 revelado no presente documento compreenda uma série de fendas 202, alguém versado na técnica irá verificar que há muitos outros métodos para escoar ar do vão 184. Por exemplo, uma ou mais fendas alongadas podem ser dispostas no domo anular 120, ou uma série de orifícios pode ser perfurada na vedação estriada 192.

[044] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, inclusive o melhor modo e também para habilitar qualquer versado na técnica a praticar a invenção, inclusive a fazer e usar qualquer aparelho ou sistema e a executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorrem àqueles versados na técnica. Tais outros exemplos são destinados um estarem dentro do escopo das reivindicações caso os mesmos incluam elementos estruturais que não sejam diferentes da linguagem literal das reivindicações ou caso os mesmos incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais em relação à linguagem literal das reivindicações.

Lista de Componentes 10 Motor a Jato Turbofan 12 Linha Central Longitudinal ou Axial 14 Seção de Ventoinha 16 Motor de Turbina de Núcleo 18 Invólucro externo 20 Entrada 22 Compressor de Baixa Pressão 24 Compressor de Alta Pressão 26 Seção de Combustão 28 Turbina de Alta Pressão 30 Turbina de Baixa Pressão 32 Seção de Escape a Jato 34 Haste/Bobina de Alta Pressão 36 Haste/Bobina de Baixa Pressão 38 Ventoinha 40 Pás 42 Disco 44 Membro de atuação 46 Caixa de Engrenagens de potência 48 Nacela 50 Invólucro de Ventoinha ou Nacela 52 Palheta-Guia de Saída 54 Seção a Jusante 56 Passagem de Fluxo de Ar de Desvio 58 Ar 60 Entrada 62 Primeira Porção de Ar 64 Segunda Porção de Ar 66 Gases de Combustão 68 Palheta de Estator 70 Pá de Rotor de Turbina 72 Palheta de Estator 74 Pá de Rotor de Turbina 76 Seção de Escape de Bocal de Ventoinha 78 Trajetória de Gás Quente 102 Forro externo 104 Forro interno 106 Invólucro de combustor externo 108 Invólucro de combustor interno 110 Câmara de combustão 112 Passagem externa 114 Passagem interna 116 Eixo geométrico longitudinal 118 Conjunto de combustor 120 Domo anular 122 Domo anular interno 124 Domo anular externo 126 Fluxo de ar de compressor 128 Capota interna 130 Capota externa 132 Abertura anular 134 Ar que flui para o misturador 136 Primeira cavidade 138 Ar de resfriamento para passagem externa 140 Ar de resfriamento para passagem interna 142 Conjunto de misturador 144 Copos delineados 146 Injetor de combustível 148 Bocal de turbina de primeiro estágio 150 Palhetas de bocal de turbina de primeiro estágio 160 Placa defletora 162 Fixador 164 Superfície cônica 166 Superfície plana 180 Superfície de domo 182 Orifícios de resfriamento de colisão 184 Vão 185 Superfície posterior da placa defletora 186 Orifícios de resfriamento 188 Junta radialmente interna 190 Junta radialmente externa 192 Vedação estriada 200 Sistema de Ar de Escorrimento 202 Fendas 204 Cavidade de Fenda 206 Ranhura de Fenda 208 Trajetória de Ar de Escorrimento 210 Saída de Ar de Escorrimento Reivindicações

Claims (20)

1. CONJUNTO DE COMBUSTOR para um motor de turbina a gás que define uma direção axial, caracterizado pelo fato de que o conjunto de combustor compreende: um forro que define pelo menos parcialmente uma câmara de combustão; um domo anular que define uma primeira cavidade e que tem uma pluralidade de orifícios de colisão; e uma placa defletora que define uma superfície cônica e uma superfície plana, em que uma pluralidade de orifícios de resfriamento são definidos através da placa defletora, em que o domo anular e a placa defletora são posicionados juntos para definir uma segunda cavidade, sendo que a segunda cavidade está em comunicação fluida com a primeira cavidade através da pluralidade de orifícios de colisão e sendo que a segunda cavidade está em comunicação fluida com a câmara de combustão através da pluralidade de orifícios de resfriamento.

2. CONJUNTO DE COMBUSTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma porção radialmente externa da segunda cavidade é vedada por uma vedação estriada entre o domo anular e a placa defletora.

3. CONJUNTO DE COMBUSTOR, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a placa defletora define adicionalmente uma fenda rebaixada que se estende ao redor de uma extremidade da vedação estriada, fornecendo assim uma comunicação fluida entre a segunda cavidade e a câmara de combustão.

4. CONJUNTO DE COMBUSTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma porção radialmente interna da segunda cavidade é vedada por uma junta soldada entre o domo anular e a placa defletora.

5. CONJUNTO DE COMBUSTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser de tal modo que uma primeira porção da superfície cônica tenha um primeiro ângulo e uma segunda porção da superfície cônica tenha um segundo ângulo diferente do primeiro ângulo.

6. CONJUNTO DE COMBUSTOR, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o primeiro ângulo e o segundo ângulo estão em uma faixa de cerca de 15° a 75°.

7. CONJUNTO DE COMBUSTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um ângulo da superfície cônica está em uma faixa de cerca de 15° a 75°.

8. CONJUNTO DE COMBUSTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o forro e a placa defletora são, cada um, compostos por um material compósito de matriz de cerâmica e em que o domo anular é composto por um material de metal.

9. CONJUNTO DE COMBUSTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a placa defletora compreende um revestimento de barreira térmica.

10. CONJUNTO DE COMBUSTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os orifícios de colisão se estendem perpendicularmente em relação a uma superfície do domo anular.

11. CONJUNTO DE COMBUSTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os orifícios de colisão se estendem em um ângulo entre cerca de 30° e 90° em relação a uma superfície do domo anular.

12. CONJUNTO DE COMBUSTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os orifícios de resfriamento se estendem perpendicularmente em relação a uma superfície da placa defletora.

13. CONJUNTO DE COMBUSTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os orifícios de resfriamento se estendem em um ângulo entre cerca de 30° e 90° em relação a uma superfície da placa defletora.

14. MOTOR DE TURBINAA GÁS que define uma direção axial, caracterizado pelo fato de que o motor de turbina a gás compreende: uma seção de compressor; uma seção de turbina acoplada mecanicamente à seção de compressor através de uma haste; e um conjunto de combustor disposto entre a seção de compressor e a seção de turbina, sendo que o conjunto de combustor compreende: um forro que define pelo menos parcialmente uma câmara de combustão; um domo anular que define uma primeira cavidade e que tem uma pluralidade de orifícios de colisão; e uma placa defletora que compreende uma superfície cônica, uma superfície plana e uma pluralidade de orifícios de resfriamento, em que o domo anular e a placa defletora definem uma segunda cavidade, sendo que a segunda cavidade está em comunicação fluida com a primeira cavidade através da pluralidade de orifícios de colisão e sendo que a segunda cavidade está em comunicação fluida com a câmara de combustão através da pluralidade de orifícios de resfriamento.

15. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que uma porção radialmente externa da segunda cavidade é vedada colocando-se uma vedação estriada entre o domo anular e a placa defletora.

16. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a placa defletora define adicionalmente uma fenda rebaixada que se estende ao redor de uma extremidade da vedação estriada, fornecendo assim uma comunicação fluida entre a segunda cavidade e a câmara de combustão.

17. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que uma porção radialmente interna da segunda cavidade é vedada soldando-se uma junta entre o domo anular e a placa defletora.

18. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de ser de tal modo que uma primeira porção da superfície cônica tenha um primeiro ângulo e uma segunda porção da superfície cônica tenha um segundo ângulo diferente do primeiro ângulo e em que o primeiro ângulo e o segundo ângulo estão em uma faixa de cerca de 15° a 75°.

19. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que os orifícios de colisão são angulados a cerca de 60° em relação à superfície do domo anular.

20. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que os orifícios de resfriamento são angulados a cerca de 60° em relação à superfície da placa defletora.