BR102016025144A2 - motores de turbina a gás e conjunto de indutores - Google Patents

Abstract

trata-se de um motor de turbina a gás que compreende um separador ciclônico que fornece comunicação fluida entre a seção de compressor e a seção de turbina. o separador ciclônico compreende um volume anular que recebe um fluxo de fluido de resfriamento a partir de uma entrada e que divide o fluxo de ar em uma saída de ar mais limpo e uma saída de limpeza. o fluxo de fluido de resfriamento é fornecido para o separador ciclônico em uma direção tangencial ao volume anular de modo que um fluxo ciclônico de fluido de resfriamento se mova dentro do volume anular separando centrifugamente as partículas arrastadas dentro do fluxo de ar para a área radial externa do volume anular para remoção através da saída de limpeza e fornecendo um fluxo de ar mais limpo para a saída de ar mais limpo.

Description

“MOTORES DE TURBINA A GÁS E CONJUNTO DE INDUTORES” 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. Os motores de turbina a gás têm sido usados para locomoção em terra e náutica e para geração de potência, mas são mais comumente usados para aplicações aeronáuticas, tais como para aeronaves, incluindo helicópteros. Em aeronaves, os motores de turbina a gás são usados para propulsão da aeronave. Em aplicações terrestres, os motores de turbina são frequentemente usados para geração de potência.

[002] Os motores de turbina a gás para aeronaves são projetados para operar em altas temperaturas para maximizar a eficácia de motor, então, o resfriamento de certos componentes de motor, tais como a turbina de alta pressão e a turbina de baixa pressão, pode ser necessário. Tipicamente, o resfriamento é realizado canalizando-se o ar resfriador a partir dos compressores de alta e/ou baixa pressão para os componentes de motor que exigem resfriamento. As temperaturas na turbina de alta pressão são em torno de 1.000 °C a 2.000 °C e no ar de resfriamento do compressor são em torno de 500 °C a 700 °C. Embora o ar de compressor tenha uma alta temperatura, o mesmo é mais frio em relação ao ar de turbina, e pode ser usado para resfriar a turbina. Ao resfriar as turbinas, vários componentes de turbina podem ser supridos com ar de resfriamento, incluindo o interior das pás de turbina e o protetor de turbina.

[003] Partículas, tais como sujeira, poeira, areia, cinzas vulcânicas e outros contaminantes ambientais, no ar de resfriamento podem provocar uma perda de resfriamento e tempo operacional reduzido ou “tempo em asa” (“time-on-wing”) para o ambiente de aeronave. Esse problema é exacerbado em certos ambientes operacionais ao redor do mundo em que motores de turbina são expostos a quantidades significativas de partículas transportadas pelo ar. As partículas supridas para os componentes de turbina podem entupir, obstruir ou revestir as passagens de fluxo e superfícies dos componentes, o que pode reduzir a vida útil dos componentes.

Descrição Resumida da Invenção [004] Um motor de turbina a gás que compreende um núcleo de motor que tem uma seção de compressor, uma seção de combustor e uma seção de turbina em disposição de fluxo axial. O motor de turbina a gás compreende adicionalmente um circuito de ar de resfriamento que acopla de modo fluido a seção de compressor à seção de turbina e a um separador ciclônico. O separador ciclônico compreende um alojamento que define um interior, um corpo central localizado dentro do interior para definir um volume anular dentro do alojamento entre o corpo central e o alojamento para formar uma câmara de separação ciclônica anular, uma entrada que acopla tangencialmente o volume anular ao circuito de ar de resfriamento, uma saída de ar mais limpo que acopla o volume anular ao circuito de ar de resfriamento a jusante da entrada e uma saída de limpeza acoplada de modo fluido ao volume anular.

[005] Um conjunto de indutores para um motor de turbina a gás que compreende um disco que compreende uma pluralidade de indutores circunferencialmente dispostos que tem uma passagem girante com uma entrada e uma saída e que define uma linha de corrente de fluxo, e uma pluralidade de separadores ciclônicos pareados com os indutores. Os separadores ciclônicos têm uma câmara de separação ciclônica anular com uma entrada de ar, uma saída de ar mais limpo e uma saída de limpeza, e define uma linha central de coroa. A entrada de ar é tangencial à câmara de separação anular, a saída de ar mais limpo é acoplada à entrada de indutor e define uma linha de corrente de saída de ar mais limpo e a saída de ar mais limpo é acoplada à entrada de indutor de modo que a linha de corrente de saída de ar mais limpo se alinhe à linha de corrente de entrada de indutor.

[006] Um motor de turbina a gás que tem uma linha central de motor e pelo menos um separador ciclônico circunferencialmente disposto em torno da linha central de motor, em que o pelo menos um separador ciclônico tem uma câmara de separação ciclônica anular com uma entrada de ar, uma saída de ar mais limpo e uma saída de limpeza, que define uma linha central de coroa. A entrada de ar é tangencial à câmara de separação anular.

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 corte esquemática de um circuito de ar de resfriamento que compreende um separador ciclônico; A Figura 3 é uma vista aproximada da seção da Figura 2 que mostra o separador ciclônico; A Figura 4 é uma vista em corte transversal do separador ciclônico da Figura 3; A Figura 5 é uma vista em perspectiva de uma entrada para o separador ciclônico da Figura 3; A Figura 6 é uma vista em corte transversal radial do separador ciclônico da Figura 3 que ilustra um conduto de injeção tangencial; A Figura 7 é a vista em corte transversal da Figura 3 que ilustra uma trajetória de fluxo dentro do separador ciclônico; A Figura 8 é uma vista em perspectiva que ilustra o separador ciclônico acoplado à seção de indutor que pode ser incorporado ao motor da Figura 1; e A Figura 9 é uma vista aproximada de uma porção da seção de indutor da Figura 8, que ilustra o fluxo de fluido através do separador ciclônico que entra na seção de indutor.

Descrição das Realizações da Invenção [008] As realizações descritas da presente invenção são direcionadas a sistemas, métodos e outros dispositivos relacionados à remoção de partículas, particularmente em um motor de turbina e, mais particularmente, à remoção de partículas de um fluxo de ar de resfriamento em um motor de turbina. Para propósitos de ilustração, a presente invenção será descrita em relação a um motor de turbina a gás de aeronave. Entretanto, será compreendido que a invenção não é tão limitada e pode ter aplicabilidade geral em aplicações de não aeronaves, tais como outras aplicações móveis e aplicações industriais não móveis, comerciais e residenciais.

[009] Conforme usado no presente documento, os termos “axial” ou “axialmente” se referem a uma dimensão ao longo de um eixo geométrico longitudinal de um motor ou ao longo de um eixo geométrico longitudinal de um componente disposto dentro do motor. O termo “anterior” usado em conjunto com “axial” ou “axialmente” se refere ao movimento em direção à entrada de motor ou a um componente que está relativamente mais próximo à entrada de motor conforme comparado a outro componente. O termo “após” usado em conjunto com “axial” ou “axialmente” se refere a uma direção para a traseira ou saída do motor em relação à linha central de motor.

[010] Conforme usado no presente documento, os termos “radial” ou “radialmente” se referem a uma dimensão que se estende entre um eixo geométrico longitudinal central do motor, uma circunferência de motor externa ou um componente circular ou anular disposto dentro do motor. O uso dos termos “proximal” ou “proximalmente”, tanto sozinhos como em conjunto com os termos “radial” ou “radialmente", se refere ao movimento em direção ao eixo geométrico longitudinal central, ou um componente que está relativamente mais próximo ao eixo geométrico longitudinal central conforme comparado a um outro componente.

[011] Conforme usado no presente documento, os termos “tangencial” ou “tangencialmente” se referem a uma dimensão que se estende perpendicular a uma linha radial em relação ao eixo geométrico longitudinal do motor ou ao eixo geométrico longitudinal de um componente disposto no mesmo.

[012] Todas as referências de direção (por exemplo, radial, axial, superior, inferior, para cima, para baixo, esquerda, direita, lateral, frontal, atrás, topo, fundo, acima, abaixo, vertical, horizontal, sentido horário, sentido anti-horário) são usadas somente para identificação de propósitos para auxiliar o entendimento do leitor da revelação, e não criar limitações, particularmente quanto à posição, orientação ou uso da invenção. As referências de conexão (por exemplo, fixado, acoplado, conectado e unido) devem ser interpretadas de forma ampla e podem incluir membros intermediários entre uma coleção de elementos e de movimento relativo entre elementos a menos que de outra forma indicadas. Desse modo, as referências de conexão não necessariamente inferem que dois elementos estão diretamente conectados e em relação fixa entre si. Os desenhos exemplificativos são para propósitos somente de ilustração e as dimensões, posições, ordem e tamanhos relativos refletidos nos desenhos anexos ao presente documento podem variar.

[013] A revelação descrita é direcionada a uma pá de turbina e, em particular, ao resfriamento de uma pá de turbina. Para propósitos de ilustração, a presente invenção será descrita em relação a uma pá de turbina para um motor de turbina a gás de aeronave. Entretanto, será compreendido que a invenção não é tão limitada e pode ter aplicabilidade geral em aplicações de não aeronaves, tais como outras aplicações móveis e aplicações industriais, comerciais e residenciais não móveis. A mesma também pode ter aplicação para aerofólios, diferentes de uma pá, em um motor de turbina, tais como aletas estacionárias.

[014] 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 geralmente se estende longitudinalmente ou uma linha central 12 que se estende da parte dianteira 14 para a traseira 16. O motor 10 inclui, em uma relação de fluxo em série a jusante, uma seção de ventilador 18 que inclui um ventilador 20, uma seção de compressor 22 que inclui um compressor de reforço ou de baixa pressão (LP) 24 e um compressor de alta pressão (HP) 26, uma seção de combustão 28 que inclui um combustor 30, uma seção de turbina 32 que inclui uma turbina de HP 34 e uma turbina de LP 36 e uma seção de escape 38.

[015] A seção de ventilador 18 inclui um invólucro de ventilador 40 que circunda o ventilador 20. O ventilador 20 inclui uma pluralidade de pás de ventilador 42 dispostas radialmente em torno 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.

[016] 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 em torno da linha central 12 do motor 10 dentro da bobina de HP anular de diâmetro maior 48, conecta por meio de acionamento a turbina de LP 36 ao compressor de LP 24 e ao ventilador 20. As porções do motor 10 montadas e que giram com uma ou ambas as bobinas 48, 50 são denominadas individual ou coletivamente como um rotor 51.

[017] O compressor de LP 24 e o compressor de HP 26 incluem, respectivamente, uma pluralidade de estágios de compressor 52, 54, em que um grupo de pás de compressor 56, 58 gira em relação a um grupo correspondente de aletas de compressor estáticas 60, 62 (também chamadas de 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 a quantidade de pás, aletas e estágios de compressor mostrados na Figura 1 foi selecionada apenas para propósitos ilustrativos, e que outras quantidades são possíveis. As pás 56, 58 para um estágio do compressor podem ser montadas em um disco 53, que é montado na bobina correspondente dentre as bobinas de HP e de LP 48, 50, em que cada estágio tem seu próprio disco. As aletas 60, 62 são montadas no invólucro de núcleo 46 em uma disposição circunferencial em torno do rotor 51.

[018] A turbina de HP 34 e a turbina de LP 36 incluem, respectivamente, uma pluralidade de estágios de turbina 64, 66, em que um grupo de pás de turbina 68, 70 é girado em relação a um grupo correspondente de aletas de turbina estáticas 72, 74 (também chamadas de 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 para 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 a quantidade de pás, aletas e estágios de turbina mostrados na Figura 1 foi selecionada apenas para propósitos ilustrativos, e que outras quantidades são possíveis.

[019] Em operação, o ventilador giratório 20 supre o compressor de LP 24 com ar ambiente que, então, supre o compressor de HP 26 com ar ambiente pressurizado, 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 através da seção de escape 38. O acionamento da turbina de LP 36 aciona a bobina de LP 50 para girar o ventilador 20 e o compressor de LP 24.

[020] Parte do ar ambiente suprido pelo ventilador 20 pode se desviar do núcleo de motor 44 e ser usado para resfriar as porções, especialmente as porções quentes, do motor 10 e/ou usado para resfriar ou alimentar outros aspectos da aeronave. No contexto de um motor de turbina, as porções quentes do motor estão, normalmente, a jusante do combustor 30, especialmente a seção de turbina 32, em que a turbina de HP 34 é a porção mais quente, uma vez que a mesma está diretamente a jusante da seção de combustão 28. Outras fontes de fluido de resfriamento podem ser, mas não se limita a, fluido descarregado a partir do compressor de LP 24 ou do compressor de HP 26.

[021] Desse modo, um fluxo de ar pode se desviar do combustor 30 através de uma seção de desvio 76 disposta radialmente interna e externa ao combustor 30 em relação à linha central de motor 12. Uma seção de indutor 78 pode utilizar o ar da seção de desvio 76 para fornecer um fluxo de ar para resfriar componentes de motor a jusante, tais como as aletas, pás ou o conjunto de revestimento, por exemplo. O fluxo de ar é utilizado como um fluxo de ar de resfriamento que tem uma temperatura mais baixa em relação à temperatura do fluxo de ar gerado através do combustor 30.

[022] A Figura 2 é uma vista esquemática de uma seção do motor 10 adjacente à junção entre a seção de combustor 28 e a seção de turbina 32 da Figura 1, que mostra um separador ciclônico 102 acoplado a uma seção de indutor 104. O separador ciclônico 102 pode ser alimentado com um fluxo de fluido de resfriamento para definir um circuito de resfriamento 98 que se desvia da seção de combustor 28 radialmente para dentro do combustor 30. Desse modo, um fluxo de ar de desvio da seção de compressor 22, por exemplo, pode passar pelo separador ciclônico 102 através de uma aleta-guia de saída 118, que está em comunicação fluida com a seção de indutor 104. A partir da seção de indutor 104, o circuito de resfriamento 98 pode alimentar a seção de turbina 34, e componentes na mesmas tais como a pá 68, a aleta 72, o disco 53 ou uma vedação (não mostrada). Deve ser adicionalmente entendido que a aleta-guia de saída 118, conforme mostrada na Figura 2, é exemplificativa e não deve ser compreendida como limitadora.

[023] A Figura 3 é uma vista esquemática de uma seção 100 do motor 10 da Figura 2, que mostra o separador ciclônico 102 incorporado à seção de indutor 104 disposta a jusante do separador ciclônico 102. O separador ciclônico 102 pode compreender um alojamento 106 que define um interior anular 108. O interior 108 pode estar em comunicação fluida com a seção de motor 100 através de uma entrada de ar 110, e pode escoar um fluido de resfriamento através de uma primeira saída 112 e de uma segunda saída 114. A segunda saída 114 pode estar, adicionalmente, em comunicação fluida com a seção de indutor 104. O circuito de resfriamento 98 pode ser adicionalmente definido por um fluxo de fluido de resfriamento introduzido na seção de motor 100 a partir da aleta-guia de saída 118, por exemplo. O fluxo de fluido de resfriamento do circuito de resfriamento 98 pode, então, fluir para o separador ciclônico 102 através da entrada 110, passar através do interior 108 e escoar através das saídas 112, 114 para a seção de indutor 104, onde o fluido de resfriamento pode fluir para a seção de turbina 32. Assim, o circuito de resfriamento 98 compreende direcionar um fluxo de fluido de resfriamento a partir da seção de compressor 22, através do separador ciclônico 102 e através da seção de indutor 104 para a seção de turbina 32, desviando da seção de combustor 28.

[024] Na Figura 4, um conduto de entrada 140 fornece comunicação fluida a partir do exterior do separador ciclônico 102 para o interior 108 através da entrada 110. A entrada 110 e o conduto de entrada 140 podem ser anulares com um corte transversal arqueado. O conduto de entrada 140 está em comunicação fluida com o interior 108 em uma área de injeção tangencial 142. Uma nervura 144 está disposta parcialmente entre o conduto de entrada 140 e o interior 108 para direcionar o fluxo de fluido de resfriamento para um lado do interior 108. Uma parede traseira 146 está disposta dentro do interior 108 acoplada a um corpo central anular 148 que se estende longitudinalmente através do centro do interior 108. O corpo central 148 pode estar disposto axialmente paralelo à linha central de motor 12 ou pode ser angularmente deslocado de paralelo à linha central de motor 12. Um volume anular 150 é definido pelo corpo central 148 para formar uma câmara de separação ciclônica anular disposta dentro do interior 108 do alojamento 106 e que se estende entre a área de injeção tangencial 142 e a segunda saída 114. A extensão longitudinal do volume anular 150 pode definir uma linha central de coroa ou uma linha central ciclônica que pode ser paralela à linha central de motor 12 ou pode ser angularmente deslocada da linha central de motor 12 com o sem relação ao alinhamento do corpo central 148. Além disso, a linha central de coroa ou linha central ciclônica pode ser angularmente deslocada por um ângulo composto, que compreende uma dimensão tanto axial quanto radial, de modo que a linha central de coroa seja deslocada em relação à linha central de motor pelo ângulo composto.

[025] O volume anular 150 pode compreender uma área em corte transversal reduzida 152 e uma área em corte transversal aumentada 154 adjacentes à área de injeção tangencial 142 e à primeira saída 112, respectivamente. As áreas em corte transversal reduzida e aumentada 152, 154 podem ser continuamente reduzidas ou aumentadas. Uma porção de aceleração é definida pela área em corte transversal reduzida 152 para acelerar um fluxo de ar de resfriamento e uma porção de desaceleração é definida pela área em corte transversal aumentada 154 para desacelerar um fluxo de ar de resfriamento. As respectivas porções podem acelerar e desacelera o fluxo de ar proporcionalmente à área dos cortes transversais da área em corte transversal reduzida e aumentada 152, 154. A área em corte transversal aumentada 154 fornece adicionalmente espaço para um conduto de saída anular 156 disposto dentro do interior 108. O conduto de saída anular 156 separa o volume anular 150 em um volume radialmente externo 158 e um volume radialmente interno 160. O volume radialmente externo 158 fornece comunicação fluida para uma saída de limpeza 162 que compreende a primeira saída 112 e o volume radialmente interno fornece comunicação fluida para uma saída de ar mais limpo 164 que compreende a segunda saída 114 através de um elemento girante ilustrado como um desturbilhonador 166. Deve ser compreendido que o desturbilhonador 166 é opcional e o separador ciclônico pode estar disposto sem o desturbilhonador 166. A saída de limpeza 162 pode estar disposta tangencial ao volume anular 150. A saída de limpeza 162 pode definir adicionalmente uma entrada de ar 161 na junção entre o volume anular 150 e a saída de limpeza 162. A entrada de ar 161 pode compreender uma área em corte transversal reduzida para acelerar um fluxo de ar que passa na saída de limpeza 162. O volume radialmente externo 158 terminar em um volume de limpeza anular 168 de modo que qualquer fluido de resfriamento disposto dentro do volume radialmente externo 158 possa ser fornecido para a saída de limpeza 162 ao redor do conduto de saída anular 156.

[026] A Figura 5 ilustra a entrada 110 do separador ciclônico 102 montada em uma banda anular 170. Um coxim 172 fixa a entrada 110 ao separador ciclônico 102 com uma pluralidade de fixadores 174. Um eixo geométrico transposto 176 é ilustrado axialmente através do centro do coxim 172, paralelo à linha central de motor 12. Em relação ao eixo geométrico transposto 176, a entrada 110 pode receber um fluxo de fluido de resfriamento em uma direção substancialmente axial e converter o fluxo de fluido de resfriamento com o conduto de entrada arqueado 140 para ter uma orientação radial quando entrar no volume anular 150, em relação à orientação axial do separador ciclônico 102, conforme ilustrado pela seta 178.

[027] Deve ser compreendido que a entrada 110 conforme ilustrada é exemplificativa. Embora a entrada 110 seja mostrada como aceitando um fluxo de ar geralmente axial em relação à linha central de motor 12, a entrada 110 pode ser orientada em uma pluralidade de direções, tais como parcialmente angulada para cima ou para baixo ou para um lado, por exemplo, aceitando fluxos de ar a partir de uma pluralidade de direções.

[028] A Figura 6 ilustra um corte transversal radial da entrada 110 na área de injeção tangencial 142. O conduto de entrada 140 está em comunicação fluida com o volume anular 150 através da área de injeção tangencial 142 em uma entrada tangencial 180 definida entre a superfície radialmente externa 182 da nervura 144 e uma parede lateral 184 definida dentro do alojamento 106.

[029] Um fluxo de fluido de resfriamento que entra na entrada 110 em 178 é convertido dentro do conduto de entrada 140 de ter uma direção substancialmente axial para ter uma direção tanto radial quanto axial em relação à linha central de motor 12, que se move radialmente para dentro conforme ilustrado na Figura 5. O fluxo de fluido de resfriamento em 186 do conduto de entrada 140 é direcionado para a parede lateral 184 pela nervura 144 e um fluxo de fluido de resfriamento em 188 e a partir de 186 é guiado pela parede lateral 184 para ter uma direção tangencial ao entrar no volume anular 150 em relação à orientação anular do volume anular 150. Desse modo, a área de injeção tangencial 142 direciona o fluxo de fluido de resfriamento para o volume anular 150 tangencialmente de modo que o fluxo de fluido de resfriamento em 190 possa turbilhonar de uma maneira ciclônica ao redor do corpo central 148 dentro do volume anular 150, que se move em uma direção axialmente para trás através do separador ciclônico 102.

[030] Na Figura 7, a totalidade de um fluxo de fluido de resfriamento através do separador ciclônico pode ser observada. Um fluxo de fluido de resfriamento em 200 flui para a entrada 110 e é convertido pelo conduto de entrada 140 para ter uma direção tanto axial quanto radial em 202 ao entrar no separador ciclônico 102. Na área de injeção tangencial 142, o fluxo de fluido de resfriamento é direcionado para a parede lateral 184 de modo que o fluido de resfriamento seja injetado no volume anular 150 tangencialmente. A injeção tangencial do fluido de resfriamento faz com que o fluido de resfriamento turbilhone de modo helicoidal ao redor do corpo central 148 à medida que o fluido de resfriamento passa através do separador ciclônico 102. O fluido de resfriamento dentro do separador ciclônico 102 pode compreender um fluxo de ar ciclônico 204, de modo que a matéria particulada arrastada dentro do fluido de resfriamento, tal como poeira, sujeira, areia, cinza ou outra coisa se mova em direção à periferia radialmente externa do volume anular 150 adjacente ao alojamento 106 por força centrífuga. A matéria particulada ao longo da periferia externa pode passar no volume radialmente externo 158 do volume anular 150, de modo que um fluxo de ar de limpeza em 206 possa portar as partículas para a saída de limpeza 162 e para fora através da primeira saída 112. O fluido de resfriamento restante que não compreende o fluxo de ar de limpeza 206 pode passar através do volume radialmente interno 160 como um fluxo de ar mais limpo 208. O fluxo de ar mais limpo 208 pode passar através do desturbilhonador 166, o que altera a magnitude helicoidal do fluxo de ar para um fluxo de ar axial. O fluxo de ar mais limpo 208 pode passar através da saída de ar mais limpo 164 na segunda saída 114. A primeira e a segunda saídas 112, 114 podem estar dispostas tangenciais ao volume anular 150 de modo que a necessidade de desturbilhonar o fluxo de ar ciclônico 204 seja eliminada através de escape tangencial do fluido de resfriamento.

[031] Deve ser compreendido que o desturbilhonador 166 é opcional. O fluxo de ar ciclônico pode ser desturbilhonado através do desturbilhonador 166. Além disso, as perdas de pressão associadas à seção central de baixa pressão de separadores ciclônicos típicos são eliminadas com o corpo central 148, o que reduz ou elimina a necessidade de desturbilhonar o fluxo de ar antes de passar o fluxo de ar para fora através da saída de ar mais limpo 164.

[032] Deve ser compreendido que o separador ciclônico 102 pode injetar tangencialmente um fluxo de fluido de resfriamento para criar um fluxo de ar helicoidal ou ciclônico dentro do separador ciclônico 102. O fluxo de ar ciclônico utiliza força centrífuga para empurrar a matéria particulada arrastada dentro do fluxo de ar para a periferia externa do separador ciclônico 102, o que separa o fluxo em um fluxo sujo radialmente externo e um fluxo de ar mais limpo radialmente interno que tem uma quantidade de matéria particular removida do mesmo pela força centrífuga gerada pelo fluxo ciclônico. A separação dos fluxos de ar radialmente internos e externos opera para remover um volume de matéria particulada do fluxo de fluido de resfriamento dentro do circuito de resfriamento, de modo que problemas associados à matéria particular dentro de um fluido de resfriamento sejam reduzidos dentro de componentes de motor que utilizam o fluido de resfriamento do circuito de resfriamento.

[033] Voltando à Figura 8, uma vista em perspectiva que mostra um exemplo de uma seção de indutor 104 que pode ser incorporada no motor 10. A seção de indutor 104 inclui a banda em formato de anel 170 que tem uma pluralidade de separadores ciclônicos 102 e um disco em formato de anel 218 com uma pluralidade de indutores 220, que pode ser integralmente formada ou moldada com o disco 218 e a banda 170 em formato de anel. A banda 170 e o disco 218 podem definir uma linha central de disco que é alinhada coaxialmente à linha central de motor 12. Deve ser entendido que a quantidade de separadores ciclônicos 102 com indutores complementares 220 é exemplificativa, e pode incluir mais ou menos com base no motor particular 10. Adicionalmente, a entrada 110 pode ser removida de um ou mais separadores ciclônicos 102, de modo que um fluido de resfriamento seja introduzido nos separadores ciclônicos 102 sem precisar converter o fluxo de uma direção axial para ter uma direção radial e axial no conduto de entrada 140.

[034] A Figura 9 é uma vista aproximada de uma porção da seção de indutor 104 da Figura 8, que mostra o fluxo de fluido através da seção de indutor 104 durante a operação e a geometria de escoamento tangencial da saída de limpeza 162 e da saída de ar mais limpo 164. A saída de ar mais limpo 164 do separador ciclônico 102 pode estar localizada a montante do indutor 220 e pode estar em comunicação fluida com uma entrada 230 do indutor 220, de modo que a corrente de fluido suprida para o indutor 220 seja o fluxo de ar mais limpo 208 que tem uma quantidade reduzida de matéria particular arrastada no mesmo. O indutor 220 pode compreender adicionalmente uma passagem girante 222. Conforme ilustrado, uma porção a jusante da saída de ar mais limpo 164 pode formar uma passagem de fluxo para o indutor 220, de modo que a saída de ar mais limpo 164 acelere e converta o fluxo de ar mais limpo 208 na passagem girante 222 em direção à turbina de HP 34 como um fluxo de indutor 224. Uma saída 226 para a passagem girante 222 pode ser definida por uma abertura em uma face lateral 228 do disco em formato de anel 218 oposto ao separador ciclônico 102.

[035] A saída de ar mais limpo 164 e a passagem girante 222 podem, cada uma, definir uma linha central longitudinal, de modo que as respectivas linhas centrais sejam alinhadas para passar o fluxo de ar mais limpo 208 tangencialmente em relação ao volume anular 150. Adicionalmente, a saída de ar mais limpo 164 e a passagem girante 222 podem definir uma linha de corrente de fluxo ao longo da linha central de modo que as linhas de corrente sejam alinhadas. Adicionalmente, a saída de ar mais limpo 164 pode ser acoplada à entrada de indutor 230 para definir uma linha de corrente de ar mais limpo, que pode se alinhar à linha de corrente de fluxo.

[036] Deve ser entendido que o separador ciclônico é benéfico para remover um volume de matéria particular de um fluxo de fluido de resfriamento que se move dentro de um circuito de resfriamento definido através de um ou mais componentes de motor. Separadores ciclônicos ou centrífugos típicos utilizados dentro de motores de turbina introduzem ar através de uma entrada radial ou axial em combinação com um turbilhonador ou aletas turbilhonadoras para gerar o fluxo de ar ciclônico para separação centrífuga. A área de injeção tangencial elimina a necessidade dos turbilhonadores, aletas turbilhonadoras ou defletores, o que gera um fluxo de ar ciclônico com base na geometria do separador ciclônico. Além disso, tamanhos menores de matéria particulada podem ser removidos em comparação aos separadores de partículas padrão, enquanto mantém perda de pressão mínima dentro do sistema devido ao fluxo de limpeza. A vantagem de remover tamanhos menores também aumenta devido aos raios menores do separador ciclônico em comparação aos separadores típicos. Adicionalmente, a fabricação do separador ciclônico é simplificada, o que economiza custos.

[037] Deve ser entendido adicionalmente que o separador ciclônico conforme descrito no presente documento compreende um tamanho compacto para uso em motores de turbina. A injeção tangencial e a geometria de escoamento removem a necessidade de aletas turbilhonadoras para desturbilhonar o fluxo de ar ciclônico. A adição do corpo central elimina uma região central de baixa pressão do volume anular, o que minimiza a necessidade de centrifugar partículas aprisionadas dentro do centro do volume anular, o que aumenta a eficácia total do separador. Adicionalmente, a simplicidade do separador ciclônico permite a fácil conversão para aumentar seções de entrada ou saída, assim como definir a geometria com base nos tamanhos desejados da matéria particulada a ser removida.

[038] Deve ser entendido adicionalmente que a saída de ar mais limpo em combinação com a entrada de indutor fornecer ar mais limpo para o conjunto de indutores, o que maximiza a eficácia do indutor. O separador ciclônico pode ter capacidade para fornecer até 100% de remoção de partículas com uma alta retenção de eficácia de indutor. As partículas removidas podem ser direcionadas para câmaras de retenção ou incluídas dentro de um fluxo de limpeza que é direcionado para alternar componentes de motor com capacidade para operar com a matéria particular arrastada.

[039] As várias realizações de sistemas, métodos e outros dispositivos relacionados à invenção revelada no presente documento fornecem separação de partícula aprimorada, particularmente em um motor de turbina. Uma vantagem que pode ser realizada na prática de algumas realizações dos sistemas descritos é que as várias realizações de sistemas, métodos e outros dispositivos revelados no presente documento podem ser usadas, sozinhas ou em combinação, para remover partículas de um fluxo de ar de resfriamento em um motor de turbina. A redução de partículas no ar de resfriamento pode aprimorar o resfriamento e a durabilidade de componente de motor. A vida útil de motores de aeronave é frequentemente limitada por acúmulo de partículas em passagens de resfriamento de turbina e, assim, a remoção ou a redução significativa em acúmulo de partículas aumenta a expectativa de vida operacional de motores entre manutenção.

[040] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, incluindo o melhor modo, e para permitir que qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, incluindo produzir e usar quaisquer dispositivos ou sistemas, e a realizar 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 se destinam a estar dentro do escopo das reivindicações caso possuam elementos estruturais que não os diferenciem da linguagem literal das reivindicações, ou caso os mesmos incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

Lista de Partes 10 Motor de turbina a gás 12 Eixo geométrico longitudinal (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 Eixo de HP/Bobina de HP

50 Eixo de LP/Bobina 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 74 Aleta de turbina 98 Circuito de resfriamento 100 Seção 102 Separador ciclônico 104 Seção de indutor 106 Alojamento 108 Interior 110 Entrada 112 Primeira saída 114 Segunda saída 116 Seta 118 Aleta 120 Seta 140 Conduto de entrada 142 Área de injeção tangencial 144 Nervura 146 Parede traseira 148 Corpo central 150 Volume anular 152 Área em corte transversal reduzida 154 Área em corte transversal aumentada 156 Conduto de saída anular 158 Volume radialmente externo 160 Volume radialmente interno 162 Saída de limpeza 164 Saída de ar mais limpo 166 Turbilhonador 168 Volume de limpeza 170 Banda 172 Coxim 174 Fixadores 176 Eixo geométrico transposto 178 Seta 180 Entrada tangencial 182 Superfície externa 184 Parede lateral 186 Seta 188 Seta 190 Seta 200 Seta 202 Seta 204 Seta 206 Fluxo de limpeza 208 Fluxo de ar mais limpo 218 Disco 220 Indutores 222 Passagem girante 224 Fluxo de indutor 226 Saída 228 Abertura 228 Face lateral 230 Entrada Reivindicações

Claims (22)

1. MOTOR DE TURBINA A GÁS, caracterizado pelo fato de que compreende: um núcleo de motor que tem uma seção de compressor, uma seção de combustor e uma seção de turbina em disposição de fluxo axial; um circuito de ar de resfriamento que acopla de modo fluido a seção de compressor à seção de turbina; e um separador ciclônico que compreende: um alojamento que define um interior, um corpo central localizado dentro do interior para definir um volume anular dentro do alojamento entre o corpo central e o alojamento para formar uma câmara de separação ciclônica anular, uma entrada que acopla tangencialmente o volume anular ao circuito de ar de resfriamento, uma saída de ar mais limpo que acopla o volume anular ao circuito de ar de resfriamento a jusante da entrada, e uma saída de limpeza acoplada de modo fluido ao volume anular.

2. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende uma seção de indutor axialmente a montante da seção de turbina e que tem pelo menos um indutor com uma passagem girante que tem uma entrada acoplada à saída de ar mais limpo de separador ciclônico e uma saída acoplada de modo fluido à seção de turbina.

3. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a passagem girante e a saída de ar mais limpo têm linhas centrais alinhadas.

4. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a entrada de separador ciclônico tem uma porção com uma área em corte transversal reduzida para acelerar o ar de resfriamento.

5. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a porção tem uma área em corte transversal continuamente reduzida.

6. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o separador ciclônico compreende um elemento girante localizado dentro do volume anular.

7. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a saída de limpeza é tangencial ao volume anular.

8. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o núcleo define uma linha central de motor, o separador ciclônico define uma linha central ciclônica e a linha central de motor e a linha central ciclônica são paralelas.

9. CONJUNTO DE INDUTORES para um motor de turbina a gás, caracterizado pelo fato de que compreende: um disco que compreende uma pluralidade de indutores circunferencialmente dispostos que tem uma passagem girante com uma entrada e uma saída e que definem uma linha de corrente de fluxo; e uma pluralidade de separadores ciclônicos pareados com os indutores, em que os separadores ciclônicos têm uma câmara de separação ciclônica anular com uma entrada de ar, uma saída de ar mais limpo e uma saída de limpeza, e define uma linha central de coroa; em que a entrada de ar é tangencial à câmara de separação anular, a saída de ar mais limpo é acoplada à entrada de indutor e define uma linha de corrente de saída de ar mais limpo e a saída de ar mais limpo é acoplada à entrada de indutor de modo que a linha de corrente de saída de ar mais limpo se alinhe à linha de corrente de indutor.

10. CONJUNTO DE INDUTORES, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a entrada de ar de separador ciclônico tem uma porção com uma área em corte transversal reduzida para acelerar um fluxo de ar de resfriamento.

11. CONJUNTO DE INDUTORES, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a porção tem uma área em corte transversal continuamente reduzida.

12. CONJUNTO DE INDUTORES, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que os separadores ciclônicos compreendem um elemento girante localizado dentro da câmara de separação anular.

13. CONJUNTO DE INDUTORES, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a saída de limpeza é tangencial ao volume anular.

14. CONJUNTO DE INDUTORES, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o disco define uma linha central de disco, os separadores ciclônicos definem uma pluralidade de linhas centrais ciclônicas e a linha central de disco e as linhas centrais ciclônicas são paralelas ou angularmente deslocadas.

15. CONJUNTO DE INDUTORES, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que as linhas centrais ciclônicas são angularmente deslocadas da linha central de disco por um ângulo composto que compreende componentes tanto axiais quanto radiais em relação à linha central de disco.

16. CONJUNTO DE INDUTORES, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que os separadores ciclônicos estão dispostos circunferencialmente em torno da linha central de disco.

17. MOTOR DE TURBINA A GÁS, caracterizado pelo fato de que tem uma linha central de motor e pelo menos um separador ciclônico circunferencialmente disposto em torno da linha central de motor, em que o pelo menos um separador ciclônico tem uma câmara de separação ciclônica anular com uma entrada de ar, uma saída de ar mais limpo e uma saída de limpeza, e define uma linha central de coroa, em que a entrada de ar é tangencial à câmara de separação anular.

18. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um separador ciclônico compreende uma pluralidade de separadores ciclônicos.

19. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que os separadores ciclônicos compreendem um alojamento que define um interior e um corpo central localizado dentro do interior para definir um volume anular dentro do alojamento, e o volume anular forma a câmara de separação ciclônica anular.

20. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um indutor que tem uma pluralidade de indutores circunferencialmente dispostos em torno da linha central de motor, em que os indutores têm uma passagem girante com uma entrada e uma saída e definem uma linha de corrente de fluxo, e a saída de ar mais limpo é acoplada à entrada de indutor e define uma linha de corrente de saída de ar mais limpo, em que a saída de ar mais limpo é acoplada à entrada de indutor de modo que a linha de corrente de saída de ar mais limpo se alinhe à linha de corrente de entrada de indutor.

21. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um elemento girante localizado dentro da coroa a montante da entrada de indutor.

22. MOTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a saída de limpeza é tangencial à coroa.