BR102016026435A2 - compressor para um motor de turbina a gás - Google Patents

Abstract

trata-se de um aparelho e método para refrigerar uma porção quente de um motor de turbina a gás [10], tal como um compressor multiestágio [24, 26] de um motor de turbina a gás [10], reduzindo-se uma temperatura de ar de operação em um espaço [130] entre uma vedação [128] e um suporte [112] de pá de estágios [52, 54] adjacentes encaminhando-se ar de resfriamento através de uma entrada [140] na palheta, que passa o ar de resfriamento encaminhado através da palheta [62], e emitir o ar de resfriamento encaminhado para dentro do espaço [130].

Description

“COMPRESSOR PARA UM MOTOR DE TURBINA A GÁS" Antecedentes da Invenção [001] Motores de turbina, e, particularmente, motores de turbina a gás ou à combustão são motores giratórios que extraem energia de um fluxo de gases queimados que passa através do motor em uma série de estágios de compressor, que incluem pares de pás giratórias e palhetas estacionárias, através de um combustor, e, então, para uma grande quantidade de pás de turbina. Nos estágios de compressor, as pás são sustentadas por suportes que se projetam do rotor enquanto as palhetas são montadas em discos de estator. Os motores de turbina a gás têm sido usados para locomoção em terra e náutica e para a 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 a propulsão da aeronave.

[002] Os motores de turbina a gás para aeronave são projetados para operar em temperaturas altas para maximizar o impulso do motor, assim, o resfriamento de certos componentes do motor, tal como o suporte de rotor é necessária durante a operação. Tipicamente, o resfriamento é executado canalizando-se ar de resfriador dos compressores de alta e/ou baixa pressão para os componentes de motor que exigem resfriamento.

[003] Em estágios de compressor adjacentes, há uma tendência de que a pressão através dos estágios adjacentes busque refluir através de uma vedação com as palhetas, o que leva a aquecimento adicional do suporte de rotor de um estágio de compressor a montante, que, sob certas condições térmicas, pode levar à temperatura no suporte de rotor a montante exceder sua temperatura de deformação que resulta na deformação indesejada do suporte de rotor. Isso é especialmente verdadeiro para o estágio mais à retaguarda ou traseiro do compressor, que é submetido à maior temperatura.

Descrição Resumida da Invenção [004] Em um aspecto, as realizações da invenção referem-se a compressor para um motor de turbina a gás que compreende um invólucro externo que tem palhetas espaçadas circunferencialmente dispostas em grupos de palhetas espaçados axialmente, e um rotor localizado dentro do invólucro externo e que tem pás espaçadas circunferencialmente dispostas em grupos de pás espaçados circunferencialmente em disposição alternada axialmente com os grupos de palhetas para definir pares dispostos axialmente de palhetas e pá, em que cada par forma um estágio de compressor. Os estágios de compressor têm uma vedação circunferencial que se estende entre o rotor e as palhetas para vedar fluidamente estágios de compressor adjacentes axialmente. Um circuito de ar de resfriamento que passa através das palhetas e que tem uma entrada nas palhetas e uma saída no rotor a montante da vedação correspondente para as palhetas.

[005] Em outro aspecto, as realizações da invenção se referem a um conjunto de palhetas para um compressor de um motor de turbina a gás que compreende uma palheta que tem um bordo de ataque e um bordo de fuga e uma envergadura que se estende de uma raiz para uma ponta, um elemento de vedação localizado na raiz e um circuito de ar de resfriamento que passa através da palheta e que tem uma entrada na palheta e uma saída no rotor, com a saída localizada em pelo menos um dentre a montante ou a jusante do elemento de vedação.

[006] Em ainda outro aspecto, as realizações da invenção se referem a um método para refrigerar um compressor multiestágio de um motor de turbina a gás. O método compreende reduzir uma temperatura de ar de operação em um espaço entre uma vedação e um suporte de pá de estágios adjacentes abaixo de uma temperatura de deformação do suporte de pá encaminhando-se o ar de compressor através de uma entrada na palheta, passando-se o ar de compressor encaminhado através da palheta, e emitindo-se o ar de compressor encaminhado para dentro do espaço, que fica a montante da palheta.

Breve Descrição das Figuras [007] Nas figuras: A Figura 1 é uma vista em corte transversal de um motor de turbina a gás de acordo com uma realização da invenção; A Figura 2 é uma vista parcial em corte transversal esquemática ampliada de uma porção do compressor na Figura 1 e que inclui especificamente uma palheta entre pás adjacentes axialmente; A Figura 3 é uma vista em perspectiva de uma palheta adequada para uso como a palheta nas Figuras 1 e 2; A Figura 4 é uma vista em corte esquemática ampliada de uma porção inferior da palheta da Figura 1 e 2; e A Figura 5 é um fluxograma que ilustra um método para reduzir a temperatura de ar de operação em um estágio.

Descrição das Realizações da Invenção [008] As realizações descritas da presente invenção são dirigidas a sistemas, métodos, e outros recursos relacionados a encaminhar fluxo de ar em um motor de turbina. Para fins de ilustração, a presente invenção será descrita em relação a 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 não de aeronaves, tais como outras aplicações móveis e aplicações não móveis industriais, comerciais e residenciais.

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

[010] 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 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 externo 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 acionamento a turbina de HP 34 ao compressor de HP 26. Um eixo ou bobina de LP 50, que é 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. As porções do motor 10 montadas em e que giram com qualquer uma ou ambas as bobinas 48, 50 também são denominadas individual ou coletivamente como um rotor 51.

[012] O compressor de LP 24 e o compressor de HP 26 incluem, respectivamente, uma pluralidade de estágios de compressor 52, 54, nos quais um conjunto de pás de compressor 56, 58 gira em relação a um conjunto correspondente de palhetas de compressor estáticas 60, 62 (também chamadas de bocais) para comprimir ou pressurizar a corrente de fluido que passa através do estágio. Em um estágio de compressor único 52, 54, múltiplas 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 palhetas de compressor estáticas correspondentes 60, 62 são posicionadas a jusante de e adjacentes às pás giratórias 56, 58. É observado que o número de pás, palhetas, e estágios de compressor mostrados na Figura 1 foi selecionado apenas com propósito de ilustração, e que outros números são possíveis. As pás 56, 58 para um estágio do compressor podem ser montadas em um disco 53, que é montado na bobina correspondente das bobinas de HP e de LP 48, 50, em que cada estágio tem seu próprio disco. As palhetas 60, 62 são montadas no invólucro do núcleo 46 em uma disposição circunferencial ao redor do rotor 51.

[013] A turbina de HP 34 e a turbina de LP 36 incluem, respectivamente, uma pluralidade de estágios de turbina 64, 66, nos quais um conjunto de pás de turbina 68, 70 é girado em relação a um conjunto de palhetas de turbina estáticas correspondentes 72, 74 (também chamadas um bocal) para extrair energia da corrente de fluido que passa através do estágio. Em um estágio de turbina único 64, 66, múltiplas 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 palhetas de turbina estáticas correspondentes 72, 74 são posicionadas a montante de e adjacentes às pás giratórias 68, 70. É observado que o número de pás, palhetas e estágios de turbina mostrados na Figura 1 foi selecionado apenas com propósito de ilustração, e que outros números são possíveis.

[014] Em operação, o ventilador giratório 20 supre ar ambiente para o compressor de LP 24, que, então, supre 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 dentro da 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] Parte do ar ambiente suprido pelo ventilador 20 pode desviar do núcleo de motor 44 e ser usado para resfriar as porções, especialmente as porções quentes, do motor 10 e/ou usado para resfriar ou alimentar outros aspectos da aeronave. No contexto de um motor de turbina, as porções quentes do motor ficam, 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 fica diretamente a jusante da seção de combustão 28. Outras fontes de fluido de resfriamento podem ser, porém, sem limitações, um fluido descarregado do compressor de LP 24 ou do compressor de HP 26.

[016] Em referência à Figura 2, uma porção da seção de compressor 22 é descrita em maiores detalhes e inclui pás adjacentes axialmente 58 a partir de estágios de compressor adjacentes 52, 54, à palheta interveniente 62. As pás 58 são montadas em um suporte 112 que se estende a partir de um disco 53 do rotor 51. As pás 58 incluem um encaixe em formato de cauda de andorinha 76 que é recebido dentro de uma fenda 114 no suporte 112.

[017] A palheta 62 se estende entre os anéis interno e externo 100, 104. Cada palheta 62 se estende radialmente a partir de uma raiz 106, no anel interno 100, para uma ponta 108, no anel externo 104. A palheta 62 inclui um bordo de ataque 134 localizado no lado a montante da palheta 62 e um bordo de fuga 136 no lado a jusante. Cada palheta inclui adicionalmente um lado de pressão 122 e um lado sucção 135 (Figura 3). A palheta 62 é montada na raiz 106 ao anel interno 100 e na ponta ao anel externo.

[018] O anel interno 100 compreende uma porção superior 118 e uma porção inferior 120 que, juntas, formam um canal circunferencial 102 ao redor do rotor 51. A porção superior 118 fornece uma base 116 na qual a raiz 106 da palheta 62 é montada. O canal circunferencial 102 fornece um conduto de ar 110 circunferencialmente ao redor do rotor 51.

[019] Um elemento de vedação, denominado como uma vedação 128 que compreende um elemento alveolar 124 e dedos anulares 126 veda o anel interno 100 em relação ao rotor 51. O elemento alveolar 124 é montado na porção inferior 120 do anel interno 100 e os dedos anulares 126 se projetam a partir do rotor 51.0 contato dos dedos 126 com o elemento alveolar 124 forma a vedação 128 para vedar estágios de compressor adjacentes 52, 54 impedindo, desse modo, que o ar comprimido de um estágio de compressor a jusante (pressão superior relativamente) reflua para um estágio de compressor a montante (pressão inferior relativamente).

[020] Uma cavidade de vedação na forma de um espaço 130 fica localizada a montante da vedação 128 da palheta 62, radialmente para dentro da pá 58 e entre a vedação 128 e o suporte 112. Como ilustrado pela seta tracejada, sob certas condições o ar refluxo 132 a partir de um estágio de compressor a jusante, que tem temperaturas mais altas devido ao fato de ser comprimido e estar em maior proximidade ao combustor 30, pode acumular no espaço 130 provocando o aumento na temperatura do ar no espaço 130. O ar de compressor que flui através dos estágios de compressor 52,54 tenda a fluir sobre o espaço 130 e retarda a remoção do ar de refluxo 132, que leva à geração de um ponto quente em frente ao suporte 112, e leva a um aquecimento do suporte 112.

[021] Um circuito de ar de resfriamento 138 é fornecido para direcionar o ar de compressor para dentro do espaço 130 para produzir um resfriamento do espaço 130. O circuito de ar de resfriamento 138 tem uma entrada 140 na palheta 62 que abre para um canal de palheta 142 dentro da palheta 62. O canal de palheta 142 pode ser um interior oco da palheta 62 ou um canal dedicado formado na palheta, tal como colocando-se um inserto dentro do interior oco. O canal de palheta 142 é conectado fluidamente ao canal circunferencial 102 do anel interno 100. Uma saída 144 na porção inferior 120 do anel interno 100 é acoplada fluidamente ao canal circunferencial 102 e localizada a montante do anel interno 100 de modo que a saída 144 abra para o espaço 130. A saída não é limitada à montante da vedação 128 e pode ficar localizada a jusante do anel interno 100.

[022] A entrada 140 para o circuito de ar de resfriamento 138 é mais bem vista na Figura 3, que é uma vista em perspectiva de uma palheta 3 D exemplificativa 62. A entrada 140 é alongada na direção de fluxo e se estende, em geral, entre o bordo de ataque 134 e o bordo de fuga 136 em uma direção, em geral, axial. A entrada 140 fica localizada no lado de pressão 122 da palheta 62, o que auxiliará no fluir natural do ar de compressor para dentro da entrada 140. No entanto, embora não seja o ideal, a entrada 140 pode ficar localizada no lado de sucção 135 da palheta 62. Embora a entrada 140 seja ilustrada como uma abertura simples, a mesma pode ter uma geometria complexa, especialmente uma que does não siga o contorno da palheta 62. Um conduto ou estrutura similar pode ser fornecido para a entrada 140 para auxiliar no direcionamento do ar de compressor para dentro da entrada 140, que seria especialmente útil caso a entrada 140 fique localizada no lado de sucção 135.

[023] Embora a entrada 140 possa ficar localizada em qualquer lugar ao longo da envergadura da palheta 62, é mais vantajoso que a entrada 140 fique localizada onde o ar mais frio é encontrado. Para a maior parte das geometrias de palheta, o ar mais frio fica localizado no lado de pressão 122 da palheta 62, e na área mediana da envergadura da palheta 62. O ar encaminhado segue um percurso 146 e é depositado no espaço 130. O percurso 146 começa no bordo de ataque 134 da palheta 62 e passa através do circuito de ar de resfriamento 138 para dentro do espaço da cavidade de vedação 130. O circuito de ar de resfriamento 138 é fornecido em pelo menos algumas das palhetas 62 no estágio de compressor mais a jusante 54 do motor de turbina a gás 10.

[024] A saída 144 para o circuito de ar de resfriamento 138 é mais bem vista na Figura 4, que é uma vista em corte esquemática ampliada da porção inferior da palheta 62 tomada a partir da Figura 2. Embora apenas uma saída 144 seja mostrada, pode haver múltiplas saídas para cada suporte de pá 112. As saídas 144 ficam localizadas de modo que o ar emitido a partir da saída flua para dentro do espaço 130 e possa colidir no suporte 112.

[025] Deve ser observado que, embora apenas um suporte de pá 112 e uma palheta 62 sejam descritos, a descrição se aplica a todos os suportes de pá 112 e a todas as palhetas 62 que são espaçadas circunferencialmente em volta da linha central do motor 16. Também deve ser observado que, embora os suportes de pá 112 e as palhetas 62 sejam descritos para o compressor, o circuito de ar de resfriamento 138 tem aplicabilidade similar em outras áreas do motor 10.

[026] Em operação, conforme mostrado na Figura 2, o ar de refluxo 132 pode progredir entre estágios de compressor adjacentes, quando o ar de pressão mais alta do compressor a jusante passa a montante através da vedação circunferencial 128. Em essência, o ar de pressão mais alta no estágio a jusante, que tem temperatura mais alta do que o estágio a montante, é aspirado pelo diferencial de pressão em direção ao estágio a montante. O calor adicional a partir do estágio a jusante aquece o suporte de pá 112. Sob as condições certas, o suporte de pá pode ser aquecido ao ponto em que o mesmo exceda a temperatura de deformação e o suporte de pá deforme radialmente. Caso a deformação seja suficientemente grande, a pá 58 pode friccionar o invólucro.

[027] O ar de resfriamento do circuito de ar de resfriamento 138 é fornecido a partir do fluxo normal através do estágio de compressor ao longo do percurso 146 para o espaço 130 para resfriar o suporte de pá 112. O ar de resfriamento suprido através do percurso 146 diminui a temperatura do ar do espaço 130 abaixo de uma temperatura de deformação do suporte de pá 112. O circuito de ar de resfriamento 138 reduz a temperatura do ar do espaço 130 entre a vedação 128 e o suporte de pá 112 por pelo menos 10 graus Celsius (50 graus Fahrenheit), quando comparado a uma temperatura do ar sem resfriamento, encaminhando-se ar de compressor através de um circuito de ar de resfriamento 138.

[028] A Figura 5 ilustra um método 300 de implantação do aparelho descrito acima para resfriar um compressor multiestágio de um motor de turbina a gás. O método 300 inclui encaminhar 302 ar de compressor que pode seguir o percurso 146 da Figura 2 através da entrada 140 na palheta 62 de um dos estágios de compressor 52, 54 em que o ar de compressor encaminhado é sugado a partir de uma área mediana da envergadura da palheta 62 no lado de pressão 122 da palheta 62. O método compreende adicionalmente passar 304 o ar de compressor encaminhado através da palheta 62, e por fim emitir 306 o ar de compressor encaminhado para dentro de um espaço 130 entre a palheta 62 e uma pá 58 de pelo menos um dentre um estágio a montante 308 e um estágio a jusante 310 do compressor 24, 26. Esse método 300 reduz uma temperatura de ar de operação no espaço 130 entre a vedação 128 e o suporte de pá 112 de estágios adjacentes para abaixo da temperatura de deformação do suporte de pá 112. Esse método reduz a temperatura do ar pelo menos 10 graus Celsius (50 graus Fahrenheit) quando comparado a sem o resfriamento.

[029] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, inclusive o melhor modo, e também para permitir que qualquer pessoa versada na técnica pratique a invenção, inclusive fazer e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorrerem àqueles versados na técnica. Tais outros exemplos são destinados a estarem dentro do escopo das reivindicações, caso possuam elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações, ou caso os mesmos incluam 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 26 compressor de alta pressão 28 seção de combustão 30 combustor 32 seção de turbina 34 turbina de alta pressão 36 turbina de baixa pressão 38 seção de escape 40 invólucro de ventilador 42 pás de ventilador 44 núcleo 46 invólucro de núcleo 48 eixo/Bobina de Alta Pressão 50 eixo/Bobina de Baixa Pressãol 51 rotor 52 estágio de compressor 53 disco 54 estágio de compressor 56 pás giratórias 58 pás giratórias 60 palhetas 62 palhetas 64 estágio de turbina 66 estágio de turbina 68 pás de turbina 70 pás de turbina 72 palhetas de turbina 74 palhetas de turbina 76 cauda de andorinha 100 anel interno 102 canal circunferencial 104 cubo externo 106 raiz Reivindicações

Claims (10)

1. COMPRESSOR [24, 26] PARA UM MOTOR DE TURBINA A GÁS [10], caracterizado pelo fato de que compreende: um invólucro externo [46] que tem palhetas [60, 62] espaçadas circunferencialmente dispostas em grupos de palhetas [60, 62] espaçados axialmente; e um rotor [51] localizado dentro do invólucro externo [46] e que tem pás [56, 58] espaçadas circunferencialmente dispostas em grupos de pás [56, 58] espaçados axialmente em disposição alternada axialmente com os grupos de palhetas [60, 62] para definir pares dispostos axialmente de palhetas [60, 62] e pá [56, 58], em que cada par forma um estágio de compressor [52, 54]; em que os estágios de compressor [52, 54] têm uma vedação circunferencial [128] que se estende entre o rotor [51] e as palhetas [60, 62] para vedar fluidamente os estágios de compressor [24, 26] axialmente adjacentes; e um circuito de ar de resfriamento [138] que passa através das palhetas [60, 62] e que tem uma entrada [140] nas palhetas [60, 62] e uma saída [144] no rotor [51] a montante de uma vedação [128] correspondente para as palhetas [60, 62].

2. COMPRESSOR [24, 26], de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a entrada [140] fica localizada em uma área mediana da envergadura da palheta [60, 62] e é alongada na direção de fluxo.

3. COMPRESSOR [24, 26], de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a entrada [140] fica localizada em um lado de pressão [122] da palheta [60, 62] e compreende um conduto.

4. COMPRESSOR [24, 26], de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a entrada [140] fica localizada ao longo da envergadura onde o ar mais frio flui sobre a palheta [60, 62].

5. COMPRESSOR [24, 26], de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o circuito de ar de resfriamento [138] é fornecido em pelo menos parte das palhetas [60, 62] no estágio de compressor [24, 26] mais a jusante.

6. COMPRESSOR [24, 26], de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um anel interno [100] localizado dentro do invólucro [46] e que sustenta as palhetas [60, 62] de um estágio de compressor [24, 26] em uma raiz [106] da palheta [60, 62] e em que o anel interno [100] define um canal circunferencial [142] que forma parte do circuito de ar de resfriamento [138].

7. COMPRESSOR [24, 26], de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a saída [144] do circuito de ar de resfriamento [138] é formada no anel [100].

8. COMPRESSOR [24, 26], de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a vedação [128] compreende um elemento alveolar [124] montado no anel [100] e dedos [126] que se estendem a partir do rotor [51] e contatam o elemento alveolar [124].

9. COMPRESSOR [24, 26], de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o rotor [51] compreende suportes [112] e a saída [144] do circuito de ar de resfriamento [138] emite o ar de resfriamento em direção ao suporte [112] a montante da palheta [60, 62].

10. COMPRESSOR [24, 26], de acordo com a reivindicação 9,caracterizado pelo fato de que um espaço [130] entre os suportes [112] de um estágio de compressor [24, 26] e a vedação [128] para o estágio de compressor [24, 26] a jusante definem uma cavidade de vedação [128] e a saída [144] do circuito de ar de resfriamento [138] emite ar de resfriamento para dentro da cavidade de vedação [130].