BR102016022589A2

BR102016022589A2 - aerofólio e pá para um motor de turbina à gás

Info

Publication number: BR102016022589A2
Application number: BR102016022589A
Authority: BR
Inventors: Ezekiel Smith Aaron; Lee Krumanaker Matthew; Frederick Bergholz Robert; Robert Brassfield Steven; Nolan Dooley Weston
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2017-04-25
Also published as: CN106988788A; US20170107824A1; SG10201608405PA; US10208605B2; CA2944429A1; EP3156600A1; JP2017078418A; CN106988788B

Abstract

trata-se de um motor de turbina que compreende um aerofólio que tem um ou mais circuitos de resfriamento internos. os circuitos de resfriamento podem ser alimentados com um fluxo de fluido de resfriamento a partir de uma ou mais passagens de entrada de ar de resfriamento em comunicação fluida com os circuitos de resfriamento. os circuitos de resfriamento podem fornecer o fluxo de fluido de resfriamento dentro do aerofólio para resfriar o aerofólio, bem como fornecer um fluido de resfriamento para uma pluralidade de orifícios de filme para criar um filme de resfriamento na superfície externa do aerofólio.

Description

"AEROFÓLIO E PÁ PARA UM MOTOR DE TURBINA À GÁS" 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 pás de turbina giratórias. Os motores de turbina a gás têm sido usados para locomoção terrestre e náutica e para geração de potência, mas são mais comumente utilizados para aplicações aeronáuticas, tais como para aeronaves, incluindo helicópteros. Em aeronaves, os motores de turbina a gás são utilizados para propulsão da aeronave. Em aplicações terrestres, os motores de turbina são geralmente usados para geração de potência.

[002] Os motores de turbina a gás para aeronaves são projetados para operar em altas temperaturas para maximizar uma eficácia de motor, então o resfriamento de determinados componentes de motor, tais como a turbina de pressão alta e a turbina de pressão baixa, pode ser benéfico. Tipicamente, o resfriamento é executado canalizando-se ar de resfriador dos compressores de pressão alta e/ou baixa para os componentes de motor que exigem resfriamento. As temperaturas na turbina de pressão alta são em torno de 1.000 °C a 2.000 °C e o ar de resfriamento do compressor é em torno de 500 °C a 700 °C. Embora o ar de compressor tenha uma temperatura alta, é mais frio em relação ao ar de turbina, e pode ser usado para resfriar a turbina.

[003] As pás de turbina contemporâneas geralmente incluem um ou mais circuitos de resfriamento interiores para encaminhar o ar de resfriamento através da pá para resfriar diferentes porções da pá, e podem incluir circuitos de resfriamento específicos para resfriar diferentes porções da pá, tais como o bordo de ataque, o bordo de fuga e a ponta da pá.

Descrição Resumida da Invenção [004] A invenção refere-se a um aerofólio para um motor de turbina a gás que tem uma superfície externa que define um lado de pressão e um lado de sucção que se estendem axialmente entre um bordo de ataque e um bordo de fuga e que se estendem radialmente entre uma raiz e uma ponta sendo que a raiz é adjacente à cauda de andorinha. O aerofólio compreende adicionalmente um circuito de resfriamento de bordo de ataque localizado dentro do aerofólio e compreende adicionalmente: uma passagem de suprimento que se estende da raiz até a ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de entrada de cauda de andorinha na raiz, um circuito de resfriamento de parede próxima localizado ao longo da superfície externa e que tem uma passagem de plenum acoplada de modo fluido à passagem de suprimento e que se estende da ponta em direção à raiz e pelo menos uma passagem de retorno que se estende da raiz em direção à ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de plenum, e uma passagem de bordo de ataque adjacente ao bordo de ataque, que se estende em uma direção da raiz à ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de suprimento. O ar de resfriamento é suprido através da passagem de entrada para a passagem de suprimento, onde flui para a passagem de plenum e para a passagem de bordo de ataque, e o fluido de resfriamento da passagem de plenum flui para a passagem de retorno.

[005] Em outro aspecto, a invenção se refere a uma pá para uma turbina a gás que tem um disco de rotor de turbina. A pá compreende uma cauda de andorinha que tem pelo menos uma passagem de entrada de ar de resfriamento e é configurada para ser montada no disco de rotor de turbina e um aerofólio que se estende radialmente a partir da cauda de andorinha e que tem uma superfície externa que define um lado de pressão e um lado de sucção que se estendem axialmente entre um bordo de ataque e um bordo de fuga, e se estendem radialmente entre uma raiz e uma ponta, sendo que a raiz é adjacente à cauda de andorinha. A pá também compreende um circuito de resfriamento de bordo de ataque localizado dentro do aerofólio que compreende: uma passagem de suprimento que se estende da raiz em direção à ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de entrada de cauda de andorinha na raiz; um circuito de resfriamento de parede próxima localizado ao longo da superfície externa e que tem uma passagem de plenum acoplada de modo fluido à passagem de suprimento, que se estende da ponta em direção à raiz, uma primeira passagem de retorno que se estende da raiz em direção à ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de plenum, sendo que a passagem de plenum é localizada entre a primeira e a segunda passagens de retorno; e uma passagem de bordo de ataque adjacente ao bordo de ataque, que se estende em uma direção de raiz à ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de suprimento. O ar de resfriamento é suprido através da passagem de entrada até a passagem de suprimento, onde flui para a passagem de plenum e para a passagem de bordo de ataque, e o fluido de resfriamento da passagem de plenum flui para a primeira e a segunda passagens de retorno.

[006] Em outro aspecto da invenção, um aerofólio para um motor de turbina a gás que tem um disco de rotor de turbina que compreende uma superfície externa que se estende axialmente entre um bordo de ataque e um bordo de fuga e que se estende radialmente entre uma raiz e uma ponta, e um circuito de resfriamento de bordo de ataque localizado dentro do aerofólio adjacente ao bordo de ataque e que compreende uma passagem de suprimento que se estende da raiz em direção à ponta. Um circuito de resfriamento de parede próxima é localizado ao longo da superfície externa entre a superfície externa e a passagem de suprimento. O circuito de resfriamento de parede próxima tem uma passagem de plenum acoplada de modo fluido à passagem de suprimento e se estende da ponta em direção à raiz e tem pelo menos uma passagem de retorno que se estende da raiz em direção à ponta que é acoplada de modo fluido à passagem de plenum. Uma passagem de bordo de ataque é adjacente ao bordo de ataque, que se estende em uma direção da raiz à ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de suprimento, em que o ar de resfriamento é suprido através da passagem de suprimento onde flui para a passagem de plenum e para a passagem de bordo de ataque, e o fluido de resfriamento da passagem de plenum flui para a passagem de retorno.

Breve Descrição das Figuras [007] Nos desenhos: A Figura 1 é um diagrama em corte transversal esquemático de um motor de turbina a gás para uma aeronave; A Figura 2 é uma vista em perspectiva de um componente de motor na forma de uma pá de turbina do motor da Figura 1 com passagens de entrada de ar de resfriamento; A Figura 3 é uma vista em corte transversal do aerofólio da Figura 2; A Figura 4 é um diagrama do aerofólio em corte transversal da Figura 3 que ilustra quatro circuitos de resfriamento dispostos dentro do aerofólio; e A Figura 5 é um fluxograma para os circuitos de resfriamento do aerofólio da Figura 4.

Descrição das Realizações da Invenção [008] As realizações descritas da presente invenção se referem a uma pá de turbina e, em particular, ao resfriamento de uma pá de turbina. Para fins de ilustração, a presente invenção será descrita em relação a uma pá de turbina para um motor de turbina a gás de aeronave. No entanto, será entendido que a invenção não é tão limitada e pode ter aplicabilidade geral em aplicações de não aeronaves, tais como outras aplicações móveis e aplicações não móveis industriais, comerciais e residenciais. A mesma também pode ter aplicação para aerofólios, diferentes de uma pá, em um motor de turbina, tais como aletas estacionárias.

[009] A Figura 1 é um diagrama em corte transversal esquemático de um motor de turbina a gás 10 para uma aeronave. O motor 10 tem um eixo geométrico que se estende geralmente 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 reforçador ou compressor de pressão baixa (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.

[010] A seção de ventilador 18 inclui um invólucro de ventilador 40 que circunda o ventilador 20. O ventilador 20 inclui uma pluralidade de aerofólios na forma de pás de ventilador 42 dispostas radialmente ao redor da linha central 12. 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.

[011] 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.

[012] 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 aerofólios na forma de pás de compressor 56, 58 gira em relação a um conjunto correspondente de aerofólios estáticos na forma de aletas de compressor 60, 62 (também denominadas um bocal) para comprimir ou pressurizar a corrente de fluido que passa através do estágio. Em um estágio de compressor único 52, 54, múltiplas pás 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 pá para uma ponta de pá, enquanto as aletas de compressor estáticas correspondentes 60, 62 são posicionadas a jusante de e adjacentes às pás giratórias 56, 58. Observa-se que o número de pás, aletas e estágios de compressor mostrados na Figura 1 foi selecionado apenas para propósitos ilustrativos, e que outras quantidades são possíveis.

[013] A turbina de HP 34 e a turbina de LP 36 incluem, respectivamente, uma pluralidade de estágios de turbina 64, 66, em que um conjunto de aerofólios giratórios na forma de pás de turbina 68, 70 que são girados em relação a um conjunto correspondente de aerofólios estáticos na forma de aletas de turbina estáticas 72, 74 (também denominadas um bocal) para extrair energia da corrente de fluido que passa através do estágio. Em um estágio de turbina único 64, 66, múltiplas pás 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 pá a uma ponta de pá, enquanto as aletas de turbina estáticas correspondentes 72, 74 são posicionadas a montante de e adjacentes às pás giratórias 68, 70. Observa-se que o número de pás, palhetas e estágios de compressor mostrados na Figura 1 foi selecionado apenas para propósitos ilustrativos, e que outros números são possíveis.

[014] Em operação, o ventilador giratório 20 fornece ar ambiente para o compressor de LP 24, que, então, fornece ar ambiente pressurizado para o 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, que extrai trabalho adicional para acionar o compressor de LP 24 e o gás de escape é, finalmente, descarregado do motor 10 por meio 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.

[015] Uma porção do ar ambiente suprida pelo ventilador 20 pode ser desviada do núcleo de motor 44 e usada para resfriar as porções, especialmente as porções quentes, do motor 10 e/ou usada para resfriar ou alimentar 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, visto 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 do compressor de LP 24 ou do compressor de HP 26.

[016] A Figura 2 é uma vista em perspectiva de um componente de motor na forma de uma dentre as pás de turbina 68 do motor 10 da Figura 1. A pá de turbina 68 inclui uma cauda de andorinha 76 e um aerofólio 78. O aerofólio 78 se estende de uma ponta 80 até uma raiz 82. A cauda de andorinha 76 inclui adicionalmente uma plataforma 84 que é integral com o aerofólio 78 na raiz 82, que ajuda a conter radialmente o fluxo de ar de turbina. A cauda de andorinha 76 pode ser configurada para ser montada em um disco de rotor de turbina no motor 10. A cauda de andorinha 76 compreende pelo menos uma passagem de entrada, mostrada de modo exemplificativo como uma primeira passagem de entrada 88, uma segunda passagem de entrada 90 e uma terceira passagem de entrada 92, sendo que cada uma se estende através da cauda de andorinha 76 para fornecer comunicação fluida interna com o aerofólio 78 em uma saída de passagem 94. Deve-se verificar que a cauda de andorinha 76 é mostrada em corte transversal, de modo que as passagens de entrada 88, 90, 92 sejam alojadas dentro do corpo da cauda de andorinha 76.

[017] Voltando-se para a Figura 3, o aerofólio 78, mostrado em corte transversal, tem uma parede lateral de pressão em formato côncavo 96 e uma parede lateral de sucção em formato convexo 98 que são unidas em conjunto para definir um formato de aerofólio com um bordo de ataque 100 e um bordo de fuga 102. A pá 68 gira em uma direção de modo que a parede lateral de pressão 96 siga a parede lateral de sucção 98. Desse modo, conforme mostrado na Figura 3, o aerofólio 78 girará de modo ascendente em direção ao topo da página.

[018] O aerofólio 78 compreende uma pluralidade de passagens internas que podem ser dispostas para formar circuitos de resfriamento específicos para resfriar uma porção particular da pá. As passagens e os circuitos de resfriamento correspondentes são ilustrados na Figura 4, que é uma vista em corte transversal do aerofólio 78. Deve-se verificar que as respectivas geometrias de cada passagem individual dentro do aerofólio 78, conforme mostrado, é exemplificativa, sendo que cada uma mostra um ou mais elementos de um circuito de resfriamento e não devem limitar os circuitos de resfriamento às geometrias, dimensões ou posições conforme mostrado.

[019] Conforme ilustrado, o aerofólio 78 é dotado de três circuitos de resfriamento, um circuito de resfriamento de bordo de ataque 120, um circuito de resfriamento intermediário 122 e um circuito de resfriamento de bordo de fuga 124, que são supridos de ar de resfriamento por meio das passagens de entrada 88, 90, 92, respectivamente, que passam através da cauda de andorinha 76. O circuito de resfriamento de bordo de fuga 124, conforme ilustrado, compreende adicionalmente um primeiro circuito de resfriamento 124a e um segundo circuito de resfriamento 124b, comumente alimentados a partir da terceira passagem de entrada 92.

[020] Os circuitos de resfriamento podem ser definidos por uma ou mais passagens que se estendem radialmente dentro do aerofólio 78. Deve-se verificar que as passagens podem compreender um ou mais orifícios de filme que podem fornecer comunicação fluida entre a passagem particular e a superfície externa do aerofólio 78, fornecendo um filme de fluido de resfriamento ao longo da superfície externa do aerofólio 78.

[021] Visualizando em maiores detalhes cada um dos circuitos de resfriamento, o primeiro ou circuito de resfriamento de bordo de ataque 120 pode compreender uma passagem de suprimento 130, circuito de resfriamento de parede próxima 132 e passagem de resfriamento de bordo de ataque 144. A passagem de suprimento 130 se estende da raiz 82 em direção à ponta 80, que é acoplada de modo fluido à primeira passagem de entrada 88 na saída 94 para suprir o ar de resfriamento ao circuito de resfriamento de parede próxima 132 e à passagem de bordo de ataque 144.

[022] O circuito de resfriamento de parede próxima 132 é ilustrado de modo exemplificativo entre a passagem de suprimento 130 e a parede lateral de sucção 98, embora seja adjacente à parede lateral de sucção 98. Nessa configuração, o circuito de resfriamento de parede próxima 132 resfria a porção de parede do aerofólio ao longo da parede lateral de sucção 98. Alternativamente, o circuito de resfriamento de parede próxima 132 pode ser posicionado de modo adjacente à parede lateral de pressão 96, entre a parede lateral de pressão 96 e a passagem de suprimento 130. De modo similar, a passagem de suprimento 130, embora ilustrada como sendo adjacente à parede lateral de pressão 96, pode ser alternativamente posicionada de modo adjacente à parede lateral de sucção 98.

[023] O circuito de resfriamento de parede próxima 132 compreende uma passagem de plenum 136, que se estende da ponta 80 até a raiz 82, e pode ter uma pluralidade de pinos ou grupos de pinos 138 dispostos dentro da passagem de plenum 136. O circuito de resfriamento de parede próxima 132 compreende adicionalmente pelo menos uma passagem de retorno 140, ilustrada na Figura 4 como duas passagens de retorno 140 localizadas em extremidades opostas da passagem de plenum 136. As passagens de retorno 140 se acoplam de modo fluido à passagem de plenum 136 próximo à raiz 82, e se estendem da raiz 82 até a ponta 80.

[024] O circuito de resfriamento de bordo de ataque 120 tem uma passagem de bordo de ataque 144, que é localizada de modo adjacente ao bordo de ataque 100 e que se estende da raiz 82 até a ponta 80. A passagem de bordo de ataque 144 está em comunicação fluida com a passagem de suprimento 130 através de um canal de circuito principal 146 definido em uma parede 148 entre a passagem de suprimento 130 e a passagem de bordo de ataque 144. O canal de circuito principal 146 pode compreender múltiplas entradas discretas, tais como aberturas de colisão que podem ter vários tamanhos e formatos. A passagem de bordo de ataque 144 pode ser adicionalmente adjacente a uma passagem de retorno 140 do circuito de resfriamento de parede próxima 132.

[025] O circuito de resfriamento intermediário 122 é disposto na metade de corda do aerofólio 78 em relação à posição do circuito de resfriamento de bordo de ataque 120 e o circuito de resfriamento de bordo de fuga 124, que é adjacente ao bordo de ataque 100 e ao bordo de fuga 102, respectivamente. O circuito de resfriamento intermediário 122 pode se acoplar de modo fluido à segunda passagem de entrada 90, que recebe um fluxo de fluido de resfriamento a partir do mesmo. O circuito de resfriamento intermediário 122 compreende uma passagem de suprimento 160, acoplada de modo fluido à segunda passagem de entrada 90, e se estende a partir da raiz 82 até a ponta 80. A passagem de suprimento 160 pode ser localizada de modo adjacente à parede lateral de sucção 98, ou pode ser adjacente à parede lateral de pressão 96, ou não ser nem adjacente à parede lateral de pressão nem à parede lateral de sucção 96, 98.

[026] A passagem de suprimento intermediária 160 se acopla de modo fluido a uma passagem de plenum intermediária 162 que se estende da ponta 80 até a raiz 82. A passagem de plenum intermediária 162 se acopla adicionalmente a uma passagem de retorno intermediária 164, que é disposta entre a combinação da passagem de suprimento intermediária 160 e da passagem de plenum intermediária 162, e o circuito de resfriamento de bordo de ataque 120. Além da passagem de retorno intermediária 164, a passagem de plenum intermediária 162 se acopla adicionalmente de modo fluido a uma malha de resfriamento de parede próxima 166 localizada no lado de pressão entre a parede lateral de pressão 96 e a passagem de plenum intermediária 162. A malha de resfriamento de parede próxima 166 compreende um canal 168 que tem uma pluralidade de pinos ou um grupo de pinos 170 dispostos dentro do canal 168. A malha de resfriamento de parede próxima 166 está em comunicação fluida adicional com uma malha plenum 172 localizado em uma extremidade oposta do canal 168 em relação a onde a passagem de plenum intermediária 162 se acopla de modo fluido ao canal 168.

[027] O circuito de resfriamento de bordo de fuga 124, que compreende o primeiro circuito de resfriamento 124a e o segundo circuito de resfriamento 124b, pode ser comumente alimentado a partir da terceira passagem de entrada 92. A terceira passagem de entrada 92 pode alimentar tanto o primeiro circuito de resfriamento 124a como o segundo circuito de resfriamento 124b onde a terceira passagem de entrada 92 pode se dividir a partir de uma entrada em duas entradas dentro da cauda de andorinha 76. Em uma realização alternativa, uma quarta passagem de entrada (não mostrada) pode ser usada para alimentar um dentre o primeiro circuito de resfriamento 124a ou o segundo circuito de resfriamento 124b enquanto a terceira passagem de entrada 92 alimenta a outra. O segundo circuito de resfriamento 124b é disposto de modo adjacente ao bordo de fuga 102 e o primeiro circuito de resfriamento 124a é disposto de modo em corda entre o segundo circuito de resfriamento 124b e o circuito de resfriamento intermediário 122.

[028] O primeiro circuito de resfriamento 124a compreende uma passagem de suprimento 180, que está em comunicação fluida com a terceira passagem de entrada 92, e que se estende da raiz 82 até a ponta 80. A passagem de suprimento 180 se acopla de modo fluido a uma passagem de retorno 182 que se estende da ponta 80 até a raiz 82, que se acopla de modo fluido a uma passagem de saída 184 que se estende da raiz 82 até a ponta 80.

[029] O segundo circuito de resfriamento 124b compreende uma passagem de suprimento 190, que está em comunicação fluida com a terceira passagem de entrada 92 e que se estende da raiz 82 até a ponta 80. A passagem de suprimento 190 se comunica de modo fluido com uma passagem de bordo de fuga 192, que se estende da raiz 82 até a ponta 80. Em um exemplo, a passagem de bordo de fuga 192 pode ser acoplada à passagem de suprimento 190 através de uma ou mais entradas 194 que se estendem radialmente ao longo do aerofólio 78, disposto entre as passagens de suprimento e de bordo de fuga 190, 192. A passagem de bordo de fuga 192 pode ser disposta com uma ou mais fileiras de pinos ou grupos de pinos 196 dispostos dentro da passagem de bordo de fuga 192. A passagem de bordo de fuga 192 pode compreender adicionalmente uma ou mais fendas em comunicação fluida com a passagem de bordo de fuga 192 e o exterior do aerofólio 78.

[030] Deve-se verificar que a geometria, conforme ilustrado na Figura 3, é exemplificativa de uma implantação dos circuitos de resfriamento revelados no presente documento e não deve ser entendida como limitante. Os circuitos de resfriamento que compreendem uma pluralidade de passagens, paredes, canais, grupos de pinos, etc. devem ser entendidos como uma implantação exemplificativa dos circuitos de resfriamento dentro de um aerofólio 78, e as posições, dimensões e geometrias reveladas no presente documento são incorporadas a fim de facilitar o entendimento do conceito inventivo dos circuitos de resfriamento. Por exemplo, o circuito de resfriamento de parede próxima 132, embora mostrado na parede lateral de sucção 98 do aerofólio 78, pode ser alternativamente localizado na parede lateral de pressão 96. De modo similar, quaisquer dentre os circuitos de resfriamento de parede próxima ilustrados podem ser localizados no lado oposto conforme ilustrado. O número de circuitos de resfriamento de parede próxima pode ser aumentado e localizado em ambos os lados. Além disso, os formatos abstratos definidos pelas passagens dentro do perfil em corte transversal do aerofólio 78 são exemplificativos e podem ser qualquer formato, geométrico, único ou de outra maneira.

[031] Deve-se verificar adicionalmente que as passagens de resfriamento de parede próxima, embora ilustradas como sendo relativamente grandes, podem ser muito pequenas, de modo que as passagens de resfriamento de parede próxima tenham uma área em corte transversal muito menor quando comparada à área em corte transversal ilustrada nas figuras.

[032] A Figura 5 é um fluxograma para os circuitos de resfriamento 120, 122, 124 do aerofólio 78 da Figura 4. O aerofólio 78 é mostrado de maneira esquemática em linha tracejada para ilustrar a configuração geral do circuito de resfriamento 120, 122, 124 dentro do aerofólio 78. O aerofólio 78 define uma cavidade de aerofólio que se estende do bordo de ataque 100 até o bordo de fuga 102 em uma direção de corda e da ponta 80 até a raiz 82 em uma direção de expansão, e que pode ser dividida em canais distintos ou passagens por paredes internas para formar os circuitos de resfriamento 120, 122, 124, que direcionam um fluxo de fluido de resfriamento através do aerofólio 78. Uma passagem de resfriamento de ponta 208, disposta acima da ponta 80 do aerofólio 78, pode se estender em uma direção substancialmente de corda a partir de próximo ao bordo de ataque 100 em direção ao bordo de fuga 102. A passagem de resfriamento de ponta 208 fornece uma passagem comum para os circuitos de resfriamento 120, 122, 124 para exaurir um fluido de resfriamento, de modo que o fluido de resfriamento alimentado nos circuitos de resfriamento 120, 122, 124 possa ser eventualmente exaurido do aerofólio 78 se não for exaurido através de um ou mais orifícios de filme.

[033] O circuito de resfriamento de bordo de ataque 120 pode ser alimentado com o fluido de resfriamento da primeira passagem de entrada 88 dentro da cauda de andorinha 76. O circuito de resfriamento de bordo de ataque 120 recebe o fluido de resfriamento dentro da passagem de suprimento 130 que se move da raiz 82 em direção à ponta 80. A passagem de suprimento 130 se comunica de modo fluido com a passagem de bordo de ataque 144 através do canal de circuito principal 146 em que uma pluralidade de orifícios de filme 200 pode exaurir o fluido de resfriamento ao longo do bordo de ataque do aerofólio 78 para criar um filme de resfriamento.

[034] O circuito de resfriamento de bordo de ataque 120 pode incluir adicionalmente pelo menos uma curva superior 210 próxima à ponta 80, que fornece o fluido de resfriamento ao circuito de resfriamento de parede próxima 132 da passagem de suprimento 130. Na curva superior 210, o fluido de resfriamento pode fluir da passagem de suprimento 130 para a passagem de plenum 136. O fluido de resfriamento se desloca dentro da passagem de plenum 136, que compreende múltiplos pinos 138, em uma direção de ponta 80 para raiz 82. Próximo à raiz 82, o circuito de resfriamento de bordo de ataque 120 pode compreender adicionalmente pelo menos uma curva inferior 212, ilustrada de modo exemplificativo como duas curvas inferiores 212, que fornecem fluido de resfriamento da passagem de plenum 136 para as passagens de retorno 140. O fluido de resfriamento flui dentro das passagens de retorno 140 em uma direção de raiz 82 para ponta 80, e pode exaurir o fluido de resfriamento através dos orifícios de filme 200 para formar um filme de resfriamento ao longo da superfície exterior de aerofólio 78.

[035] O circuito de resfriamento intermediário 122, disposto de modo em corda entre o circuito de resfriamento de bordo de ataque 120 e o circuito de resfriamento de bordo de fuga 124, pode ser alimentado com um fluxo de fluido de resfriamento da segunda passagem de entrada 90. O circuito de resfriamento intermediário 122 recebe o fluido de resfriamento dentro da passagem de suprimento 160 da segunda passagem de entrada 90, que se move da raiz 82 em direção à ponta 80. O circuito de resfriamento intermediário 122 compreende adicionalmente uma curva superior 214 onde a passagem de suprimento 160 se comunica de modo fluido com a passagem de plenum intermediária 162. A passagem de plenum intermediária 162 está adicionalmente em comunicação fluida com a malha de resfriamento de parede próxima 166 através do canal 168 da passagem de plenum intermediária 162. O fluxo de ar de resfriamento pode se mover através da malha de resfriamento de parede próxima 166, que pode incluir um ou mais pinos ou grupos de pinos 170, para o plenum de malha 172, em que o fluido de resfriamento pode ser exaurido através dos orifícios de filme 200 para criar um filme de resfriamento ao longo da superfície externa do aerofólio 78.

[036] O circuito de resfriamento intermediário 122 pode compreender adicionalmente uma curva inferior 216, que fornece fluido de resfriamento para a passagem de retorno intermediária 164 a partir da passagem de plenum intermediária 162. A partir da passagem de retorno intermediária 164, os orifícios de filme 200 podem exaurir o fluido de resfriamento do circuito de resfriamento intermediário 122 para fornecer um filme de resfriamento ao longo da superfície exterior do aerofólio 78. Visto que a passagem de retorno intermediária 164 pode se estender entre as paredes laterais de sucção e pressão 96, 98, um ou mais conjuntos de orifícios de filme 200 podem fazer com que um fluido de resfriamento flua para a superfície exterior do aerofólio 78.

[037] O circuito de resfriamento de bordo de fuga 124 pode ser alimentado com um fluxo de fluido de resfriamento da terceira passagem de entrada 92. A terceira passagem de entrada 92, pode suprir adicionalmente o primeiro circuito de resfriamento 124a e o segundo circuito de resfriamento 124b individualmente, que pode ser feito separando-se o fluxo de fluido de resfriamento da terceira entrada de resfriamento 92 em uma entrada de lado dianteiro 92a e uma entrada de lado traseiro 92b.

[038] O primeiro circuito de resfriamento 124a, ilustrado como sendo alimentado a partir da entrada de lado dianteiro 92a, recebe um fluxo de fluido de resfriamento dentro da passagem de suprimento 180 em uma direção de raiz 82 para a ponta 80. Em uma curva superior 218, o fluido de resfriamento pode ser fornecido à passagem de retorno 182 da passagem de suprimento 180, que se move em uma direção de ponta 80 para raiz 82. O fluido de resfriamento pode, então, ser fornecido à passagem de saída 184 da passagem de retorno 182, em uma curva inferior 220 que se move da raiz 82 para a ponta 80. Dentro da passagem de saída 184, o fluido de resfriamento pode ser exaurido através dos orifícios de filme 200 para fornecer um filme de resfriamento ao longo da superfície exterior do aerofólio 78. Desse modo, a trajetória de fluido definida pelo primeiro circuito de resfriamento 124a pode ser substancialmente em serpentina, ziguezagueando entre a ponta 80 e a raiz 82.

[039] O segundo circuito de resfriamento 124b, ilustrado como sendo alimentado a partir da entrada de lado traseiro 92b, pode ser dotado de um fluxo de fluido de resfriamento na passagem de suprimento 190 em uma direção de raiz 82 para ponta 80. Ao longo da passagem de suprimento 190, o fluido de resfriamento pode fluir em uma passagem de bordo de fuga 192, que pode compreender um ou mais pinos 196, através de uma ou mais entradas 194 da passagem de suprimento 190. O fluido de resfriamento, que não flui para a passagem de bordo de fuga 192, pode ser exaurido a partir da extremidade de ponta 222 da passagem de suprimento para fora do bordo de fuga 102 do aerofólio 78.

[040] O ar de resfriamento dentro da passagem de bordo de fuga 192 pode ser exaurido do aerofólio 78 através dos orifícios de filme 200, ou pode ser alternativamente exaurido através do bordo de fuga 102 através das fendas 198.

[041] Deve-se verificar que os circuitos de resfriamento 120, 122, 124, conforme ilustrados na Figura 4, são exemplificativos de uma implantação dos circuitos de resfriamento dentro de um aerofólio 78 e não devem ser interpretados como limitantes pela geometria particular, passagens, grupos de pinos, orifícios de filme, etc. Deve-se entender adicionalmente que embora os circuitos de resfriamento 120, 122, 124, 124a, 124b sejam ilustrados como se movendo geralmente do bordo de ataque 100 em direção ao bordo de fuga 102 ou do bordo de fuga 102 em direção ao bordo de ataque 100, a ilustração é apenas um retrato exemplificativo dos circuitos de resfriamento por si só. As passagens particulares, canais, entradas ou malha podem fluir em qualquer direção em relação ao aerofólio 78, tais como na direção de bordo de fuga ou dianteira 102, 100, direção de ponta 80 ou raiz 82, ou em direção às paredes laterais de pressão ou de sucção 96, 98 do aerofólio 78, ou qualquer combinação dos mesmos.

[042] As várias realizações de sistemas, métodos e outros dispositivos relacionados à invenção revelada no presente documento fornecem eficácia de resfriamento aperfeiçoada para o circuito de resfriamento de uma pá de turbina. Uma vantagem que pode ser evidenciada na prática de algumas realizações dos sistemas descritos é que os circuitos de resfriamento da pá podem ser utilizados em pelo menos uma dentre as paredes laterais de pressão ou de sucção da pá e, mais preferencialmente, em ambas as paredes laterais, enquanto fornece ar aos orifícios de filme a fim de criar um filme de resfriamento na superfície externa do aerofólio. Os circuitos de resfriamento implantados fornecem gerenciamento de fluxo de ar e resfriamento ideais dentro de um aerofólio, a fim de manter operação de motor eficaz a temperaturas aumentadas, aumentando a vida útil e eficiência de motor. Embora as realizações específicas sejam descritas em termos de um aerofólio na forma de uma pá de turbina, a descrição é igualmente aplicável a qualquer aerofólio dentro do motor de turbina a gás, incluindo, sem limitação, aletas de turbina, pás de compressor e aletas de compressor.

[043] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, que incluem o melhor modo, e também para capacitar qualquer pessoa versada na técnica a praticar a invenção, o que inclui fazer e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e desempenhar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorram àqueles versados na técnica. Tais outros exemplos são destinados a estar dentro do escopo das reivindicações se tiverem elementos estruturais que não os 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 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 pás de ventilador 44 núcleo 46 invólucro de núcleo 48 bobina / eixo de HP

50 bobina / eixo de LP 52 estágio de compressor 54 estágio de compressor 56 pá de compressor 58 pá de compressor 60 aleta de compressor (bocal) 62 aleta de compressor (bocal) 64 estágio de turbina 66 estágio de turbina 68 pá de turbina 70 pá de turbina 72 aleta de turbina (bocal) 74 aleta de turbina (bocal) 76 cauda de andorinha 78 aerofólio 80 ponta 82 raiz 84 plataforma 88 primeira passagem de entrada 90 segunda passagem de entrada 92 terceira passagem de entrada 92a entrada de lado dianteiro 92b entrada de lado traseiro 94 saída de passagem 96 parede lateral de pressão 98 parede lateral de sucção 100 bordo de ataque 102 bordo de fuga 120 circuito de resfriamento de bordo de ataque 122 circuito de resfriamento intermediário 124 circuito de resfriamento de bordo de fuga 124a primeiro circuito de resfriamento 124b segundo circuito de resfriamento 130 passagem de suprimento 132 circuito de resfriamento de parede próxima 136 passagem de plenum 138 grupos de pinos 140 passagem de retorno 144 passagem de bordo de ataque 146 canal de circuito principal 148 parede 160 passagem de suprimento intermediária 162 passagem de plenum intermediária 164 passagem de retorno intermediária 166 malha de resfriamento de parede próxima 168 canal 170 grupo de pinos 172 plenum de malha 180 passagem de suprimento 182 passagem de retorno 184 passagem de saída 190 passagem de suprimento 192 passagem de bordo de fuga 194 entradas 196 passagem de extremidade traseira 198 fendas 200 orifícios de filme 208 passagem de resfriamento de ponta 210 curva superior 212 curva inferior 214 curva superior 216 curva inferior 218 curva superior 220 curva inferior 222 extremidade de ponta Reivindicações

Claims

1. AEROFÓLIO PARA UM MOTOR DE TURBINA A GÁS, sendo que o aerofólio é caracterizado pelo fato de que compreende: uma superfície externa que define um lado de pressão e um lado de sucção que se estende axialmente entre um bordo de ataque e um bordo de fuga e que se estende radialmente entre uma raiz e uma ponta; e um circuito de resfriamento de bordo de ataque localizado dentro do aerofólio e que compreende: uma passagem de suprimento que se estende da raiz em direção à ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de entrada na raiz, um circuito de resfriamento de parede próxima localizado ao longo da superfície externa e que tem uma passagem de plenum acoplada de modo fluido à passagem de suprimento e que se estende da ponta em direção à raiz, e pelo menos uma passagem de retorno que se estende da raiz em direção à ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de plenum, e uma passagem de bordo de ataque adjacente ao bordo de ataque, que se estende em uma direção de raiz à ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de suprimento; em que o ar de resfriamento é suprido através da passagem de entrada para a passagem de suprimento, onde flui para a passagem de plenum e para a passagem de bordo de ataque, e o fluido de resfriamento da passagem de plenum flui para a passagem de retorno.

2. AEROFÓLIO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o circuito de resfriamento de parede próxima é localizado de modo adjacente a um dentre o lado de pressão ou o lado de sucção.

3. AEROFÓLIO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a passagem de retorno é localizada próximo à passagem de bordo de ataque.

4. AEROFÓLIO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a passagem de suprimento é distanciada de um dentre o lado de pressão ou o lado de sucção pelo circuito de resfriamento de parede próxima.

5. AEROFÓLIO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a passagem de suprimento é adjacente ao lado de sucção.

6. AEROFÓLIO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a passagem de retorno é adjacente à passagem de bordo de ataque.

7. AEROFÓLIO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o circuito de resfriamento de parede próxima compreende adicionalmente uma segunda passagem de retorno acoplada de modo fluido à passagem de plenum.

8. AEROFÓLIO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a passagem de plenum é localizada entre as passagens de retorno.

9. AEROFÓLIO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente orifícios de filme que passam através da superfície externa e em pelo menos uma dentre a passagem de bordo de ataque e a passagem de retorno.

10. AEROFÓLIO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que o aerofólio é caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma dentre uma pá ou aleta para um compressor ou turbina.

11. PÁ PARA UM MOTOR DE TURBINA A GÁS que tem um disco de rotor de turbina, sendo que a pá é caracterizada pelo fato de que compreende: uma cauda de andorinha que tem pelo menos uma passagem de entrada de ar de resfriamento e é configurada para ser montada no disco de rotor de turbina; um aerofólio que se estende radialmente da cauda de andorinha e que tem uma superfície externa que define um lado de pressão e um lado de sucção que se estende axialmente entre um bordo de ataque e um bordo de fuga e que se estende radialmente entre uma raiz e uma ponta, sendo que a raiz é adjacente à cauda de andorinha; e um circuito de resfriamento de bordo de ataque localizado dentro do aerofólio e que compreende: uma passagem de suprimento que se estende da raiz em direção à ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de entrada na raiz, um circuito de resfriamento de parede próxima localizado ao longo da superfície externa e que tem uma passagem de plenum acoplada de modo fluido à passagem de suprimento e que se estende da ponta em direção à raiz, uma primeira passagem de retorno que se estende da raiz em direção à ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de plenum, uma segunda passagem de retorno que se estende da raiz em direção à ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de plenum, sendo que a passagem de plenum é localizada entre a primeira e a segunda passagens de retorno, e uma passagem de bordo de ataque adjacente ao bordo de ataque, que se estende em uma direção de raiz à ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de suprimento; em que o ar de resfriamento é suprido através da passagem de entrada para a passagem de suprimento, onde flui para a passagem de plenum e a passagem de bordo de ataque, e o fluido de resfriamento da passagem de plenum flui para a primeira e a segunda passagens de retorno.

12. PÁ, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o circuito de resfriamento de parede próxima é adjacente ao lado de sucção.

13. PÁ, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que a passagem de suprimento é distanciada do lado de sucção pelo circuito de resfriamento de parede próxima e é adjacente ao lado de pressão.

14. PÁ, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente orifícios de filme que passam através da superfície externa e para a passagem de bordo de ataque e pelo menos uma dentre a primeira e segunda passagens de retorno.

15. PÁ, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente aberturas de colisão que acoplam de modo fluido a passagem de suprimento à passagem de bordo de ataque.

16. PÁ, de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente pinos localizados dentro da passagem de plenum.

17. PÁ, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que a cauda de andorinha compreende adicionalmente uma segunda passagem de entrada de ar de resfriamento, que compreende adicionalmente um circuito de resfriamento de bordo de fuga localizado dentro do aerofólio e que tem uma passagem de suprimento de bordo de fuga acoplada de modo fluido à segunda passagem de entrada de ar de resfriamento, e fendas de bordo de fuga acopladas de modo fluido à passagem de suprimento de bordo de fuga.

18. PÁ, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que a cauda de andorinha compreende adicionalmente uma terceira passagem de entrada de ar de resfriamento, que compreende adicionalmente um circuito de resfriamento intermediário localizado dentro do aerofólio entre o circuito de resfriamento de bordo de ataque e o circuito de resfriamento de bordo de fuga, e que tem uma malha de resfriamento de parede próxima localizada ao longo da superfície externa.

19. PÁ, de acordo com a reivindicação 18, caracterizada pelo fato de que a malha de resfriamento de parede próxima é localizada ao longo do lado de pressão.

20. PÁ, de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um grupo de pinos localizado dentro da malha de resfriamento de parede próxima.

21. AEROFÓLIO PARA UM MOTOR DE TURBINA A GÁS caracterizado pelo fato de que compreende uma superfície externa que se estende axialmente entre um bordo de ataque e um bordo de fuga e que se estende radialmente entre uma raiz e uma ponta, e um circuito de resfriamento de bordo de ataque localizado dentro do aerofólio adjacente ao bordo de ataque e que compreende uma passagem de suprimento que se estende da raiz em direção à ponta, um circuito de resfriamento de parede próxima localizado ao longo da superfície externa e entre a superfície externa e a passagem de suprimento, e o circuito de resfriamento de parede próxima que tem uma passagem de plenum acoplada de modo fluido à passagem de suprimento e que se estende da ponta em direção à raiz, e pelo menos uma passagem de retorno que se estende da raiz em direção à ponta e é acoplada de modo fluido à passagem de plenum, e uma passagem de bordo de ataque adjacente ao bordo de ataque, que se estende em uma direção de raiz à ponta e acoplada de modo fluido à passagem de suprimento, em que o ar de resfriamento é suprido através da passagem de suprimento, onde flui para a passagem de plenum e para a passagem de bordo de ataque, e o fluido de resfriamento da passagem de plenum flui para a passagem de retorno.