BR102016026606A2

BR102016026606A2 - Método para operar um compressor de motor de turbina a gás

Info

Publication number: BR102016026606A2
Application number: BR102016026606-8A
Authority: BR
Inventors: El Hacin Sennoun Mohammed; Scott Bunker Ronald
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2018-05-02
Also published as: CA2949678A1; JP2017101671A; US20170159568A1; CN106907352A; EP3176408A1

Abstract

trata-se de um sistema e um método para resfriar um motor de turbina a gás [10] que tem um compressor com múltiplos estágios axialmente dispostos [52, 54] de lâminas giratórias emparelhadas [56, 58] e palhetas estacionárias [60,62] localizadas entre um invólucro de compressor externo [82] e um invólucro de compressor interno [80], e que compreende um resfriamento de circuito fechado do compressor, extraindo-se ar de compressor [92] de um primeiro local no compressor, resfriando-se o ar extraído [94] e introduzindo-se o ar extraído resfriado [94] em um segundo local no compressor, em que o segundo local está a montante do primeiro local.

Description

(54) Título: MÉTODO PARA OPERAR UM COMPRESSOR DE MOTOR DE TURBINA A GÁS (51) Int. Cl.: F02C 7/00; F04B 53/00 (30) Prioridade Unionista: 03/12/2015 US 14/957,910 (73) Titular(es): GENERAL ELECTRIC COMPANY (72) Inventor(es): MOHAMMED EL HACIN SENNOUN; RONALD SCOTT BUNKER (74) Procurador(es): ANA PAULA SANTOS CELIDONIO (57) Resumo: Trata-se de um sistema e um método para resfriar um motor de turbina a gás [10] que tem um compressor com múltiplos estágios axialmente dispostos [52, 54] de lâminas giratórias emparelhadas [56, 58] e palhetas estacionárias [60,62] localizadas entre um invólucro de compressor externo [82] e um invólucro de compressor interno [80], e que compreende um resfriamento de circuito fechado do compressor, extraindo-se ar de compressor [92] de um primeiro local no compressor, resfriando-se o ar extraído [94] e introduzindo-se o ar extraído resfriado [94] em um segundo local no compressor, em que o segundo local está a montante do primeiro local.

1/9 “MÉTODO PARA OPERAR UM COMPRESSOR DE MOTOR DE TURBINA A GÁS”

Antecedentes da Invenção [001] Motores de turbina e, particularmente, motores de turbina a gás ou a combustão, são motores giratórios que extraem energia a partir de um fluxo de gases que passa pelo motor em uma série de estágios de compressor, que inclui pares de lâminas giratórias e palhetas estacionárias, por um combustor e, então, para uma multidão de estágios de turbina. Nos estágios de compressor, as lâminas são sustentadas por postos que se projetam a partir do rotor enquanto as palhetas são montadas em um invólucro de estator. 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, tal como para aviões, incluindo helicópteros. Em aeronaves, motores de turbina a gás são utilizados para propulsão da aeronave.

[002] Motores de turbina a gás para aeronave são projetados para funcionar em altas temperaturas para maximizar impulso de motor e, portanto resfriar certos componentes de motor, tais como palhetas, é necessário durante o funcionamento. É desejável aumentar a capacidade térmica do compressor para desempenhar a regulação térmica desejada do sistema de motor.

Breve Descrição da Invenção [003] Em um aspecto, as realizações da invenção referem-se a um método para resfriar um compressor de motor de turbina a gás que tem múltiplos estágios axialmente dispostos de lâminas giratórias emparelhadas e palhetas estacionárias localizadas entre um invólucro de compressor externo e um invólucro de compressor interno. O método inclui extrair ar de compressor de um estágio a jusante do compressor, então, passar o ar extraído por um trocador de calor para resfriar o ar extraído e, então, introduzir o ar extraído

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2/9 resfriado em um estágio a montante do compressor.

[004] Em outro aspecto, as realizações da invenção se referem a um compressor para um motor de turbina a gás que inclui múltiplos estágios axialmente dispostos em fluxo de lâminas giratórias emparelhadas e palhetas estacionárias, um trocador de calor e um circuito de resfriamento que passa pelo trocador de calor. Uma entrada, acoplada de modo fluido a um estágio do compressor, e uma saída, acoplada de modo fluido a um estágio a montante em relação ao estágio, permitem o ar de compressor ser extraído pela entrada, passado pelo trocador de calor para resfriamento, após o que o ar extraído resfriado é, então, introduzido através da saída para o estágio a montante.

Breve Descrição das Figuras [005] Nas Figuras:

- A Figura 1 é uma vista em corte esquemática de um motor de turbina a gás de acordo com uma realização da invenção;

- A Figura 2 é um esquema de uma seção de compressão do motor de turbina a gás da Figura 1 com inter-resfriamento de alguns dos estágios de compressor;

- A Figura 3 é outra realização da Figura 2;

- A Figura 4 é uma realização adicional da Figura 2; e

- A Figura 5 é um fluxograma de um método para resfriar um motor de turbina a gás.

Descrição das Realizações da Invenção [006] As realizações descritas da presente invenção são direcionadas a sistemas, métodos e outros dispositivos relacionados a roteamento de fluxo de ar 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. No entanto, será entendido que a invenção não é limitada a isso e pode ter aplicabilidade geral em aplicações não aeronáuticas, tais como

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3/9 outras aplicações móveis e aplicações não móveis industriais, comerciais e residenciais.

[007] A Figura 1 é um diagrama em corte transversal esquemático de um motor de turbina a gás, que pode compreender um motor de turbina a gás de alto desvio 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 seção de compressor 22 que inclui um compressor intensificador 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. A seção de compressor 22, a seção de combustão 28 e a seção de turbina 32 estão em fluxo axial dispostas e envolvidas dentro de um invólucro de núcleo 46. O compressor não se limita a uma orientação axial e pode ser orientado axialmente, radialmente ou de uma maneira combinada.

[008] A seção de ventilador 18 inclui um invólucro de ventilador 40 que circunda o ventilador 20. O ventilador 20 inclui uma pluralidade de lâminas 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 pelo invólucro de núcleo 46 que pode ser acoplado ao invólucro de ventilador 40. Pelo menos uma porção do invólucro de ventilador 40 circunda o invólucro de núcleo 46 para definir um canal de desvio anular 47.

[009] Um eixo ou bobina de HP 48 disposto (ou disposta) coaxialmente ao redor da linha central 12 do motor 10 conecta de maneira acionável a turbina de HP 34 ao compressor de HP 26. Um eixo ou bobina de LP 50, que está disposto (ou disposta) coaxialmente ao redor da linha central

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4/9 do motor 10 dentro da bobina de HP anular de diâmetro maior 48, conecta de maneira acionável 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 com ambas as bobinas 48, 50 também são denominadas individualmente ou coletivamente como um rotor 51.

[010] 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 lâminas de compressor 56, 58 gira em relação a um conjunto correspondente de lâminas de compressor estáticas 60, 62 (também chamadas de bocais) para comprimir ou pressurizar a corrente de fluido que passa pelo estágio. Em um único estágio de compressor 52, 54, múltiplas lâminas 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 lâmina para uma ponta de lâmina, enquanto as palhetas de compressor estáticas correspondentes 60, 62 são posicionadas a jusante e adjacentes às lâminas giratórias 56, 58. Nota-se que os números de lâminas, palhetas e estágios de compressor mostrados na Figura 1 foram selecionados apenas a título de ilustração e que outros números são possíveis. As lâminas 56, 58 para um estágio do compressor podem ser montadas em um disco 53, o qual é montado em uma das bobinas de HP e LP correspondente 48, 50, sendo que cada estágio tem o próprio disco. As palhetas 60, 62 são montadas no invólucro de núcleo 46 em uma disposição circunferencial ao redor do rotor 51.

[011] A turbina de HP 34 e a turbina de LP 36 incluem, respectivamente, uma pluralidade de estágios de turbinas 64, 66, em que um conjunto de lâminas 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 pelo estágio. Em um único estágio de turbina 64, 66, múltiplas lâminas de turbina 68, 70 podem ser

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5/9 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 e adjacentes às lâminas giratórias 68, 70. Nota-se que os números de lâminas, palhetas e estágios de turbina mostrados na Figura 1 foram selecionados apenas a título de ilustração e que outros números são possíveis.

[012] O compressor de LP 24 e o compressor de HP 26 podem incluir adicionalmente pelo menos uma palheta-guia que pode ser uma palhetaguia de entrada 55 posicionada na extremidade a montante da seção de compressor 22 e uma palheta-guia de saída 57 posicionada na extremidade a jusante da seção de compressor 22. As palhetas não se limitam a um tipo e podem ser, por exemplo, palhetas de estator não variáveis ou palhetas de estator.

[013] Em funcionamento, o ventilador giratório 20 abastece ar ambiente ao compressor de LP 24, que, então, abastece ar ambiente pressurizado ao 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.

[014] Uma porção do ar ambiente abastecido pelo ventilador 20 pode desviar do núcleo de motor 44 como um fluxo de ar de desvio e ser usado para resfriar as porções, especialmente as porções quentes, do motor 10 e/ou

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6/9 usado 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.

[015] Porções quentes do motor também existem dentro da seção de compressor 22 e, portanto, o ar ambiente abastecido pelo ventilador 20 ou ar mais resfriado do compressor pode ser utilizado, porém, sem limitação a porções de resfriamento da seção de compressor 22. O fluxo de ar de desvio pode passar por um trocador de calor 76, que pode ser qualquer dispositivo adequado, por exemplo, um resfriador de superfície, que tem um formato plano ou um resfriador em forma de tijolo, que compreende uma barra e trocador de calor de placa ou um resfriador de tubo e casca, que tem um formato cilíndrico, que pode ser localizado dentro do fluxo de ar de desvio do canal de desvio 47. Apesar de ilustrado dentro do canal de desvio 47, o local do trocador de calor 76 não se limita ao canal de desvio e pode estar localizado em qualquer posição adequada dentro do motor 10, por exemplo, adjacente a uma palhetaguia de entrada ou saída 55, 57.

[016] Referindo-se à Figura 2, um esquema da seção de compressor 22 ilustra adicionalmente um invólucro de compressor interno 80 que compreende o rotor 51, e um invólucro de compressor externo 82 disposto dentro do invólucro de núcleo 46. Os múltiplos estágios axialmente dispostos 52, 54 de lâminas giratórias emparelhadas 56, 58 e palhetas estacionárias 60, 62 estão localizados entre o invólucro de compressor externo 82 e o invólucro de compressor interno 80. Um circuito de resfriamento 78 compreende uma entrada 84 acoplada de modo fluido a uma primeira porção do compressor 26. A entrada 84 está localizada adjacente ao invólucro de compressor externo 82, adjacente à ponta da lâmina 58, e adjacente a uma parede de extremidade 86

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7/9 da palheta 62. A primeira porção pode estar em um estágio a jusante 54 do compressor 26 ou em qualquer área adequada a montante das lâminas 58 para o estágio a jusante 54 e a jusante das palhetas 62 para o estágio a montante 52.

[017] O circuito de resfriamento 78 compreende adicionalmente uma saída 88 acoplada de modo fluido a uma segunda porção localizada a montante da primeira porção do compressor 26. A saída 88 está localizada adjacente ao invólucro de compressor externo 82, adjacente à ponta da lâmina 56, e adjacente à parede de extremidade 86 da palheta 60. A segunda porção pode estar em um estágio a montante 52 do compressor 24 ou em qualquer área adequada a montante das lâminas 56 para o estágio a montante 52 e a montante das palhetas 62 para o estágio a jusante 52.

[018] A primeira e a segunda porções podem estar em qualquer local a jusante/a montante relativo ao longo do compressor, em qualquer estágio no compressor contanto que a posição relativa esteja correta. A primeira e a segunda porções podem estar em diferentes estágios do compressor ou no mesmo estágio do compressor. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 3, a primeira porção e a segunda porção podem ser porções adjacentes às palhetas e lâminas dentro do mesmo estágio de compressor 54. A primeira e a segunda porções também podem estar acopladas a um interior de qualquer um dos elementos de aerofólio, tal como as palhetas. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 4, a primeira porção é a jusante de uma lâmina 58 e a segunda porção é a montante da lâmina 58 e acoplada ao interior 90 de uma palheta 60.

[019] A Figura 5 ilustra adicionalmente um método 200 para resfriar um motor de turbina a gás 10 com o uso do circuito de resfriamento 78 que passa pelo trocador de calor 76. Em uma primeira etapa 202, o ar de compressor 92 é extraído da primeira porção do compressor 26 pela entrada

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84. Secundariamente 204 o ar de compressor 92 corre pelo trocador de calor 76 para formar o ar extraído resfriado 94. Em uma etapa final 206, o ar extraído resfriado 94 é introduzido pela saída 88 para a segunda porção localizada a montante da primeira porção do compressor 26.

[020] O trocador de calor 76 resfria o ar de compressor 92 de modo a formar o ar extraído resfriado 94, que por sua vez é usado para resfriar áreas no estágio a montante 52 do compressor 26 que incluem, porém, não se limitam ao interior 90 das palhetas 60, 62. Ainda em outra realização, o trocador de calor 76 pode ser usado para transferir energia para ou a partir de um sistema de refrigeração de circuito fechado no qual o líquido de refrigeração de alça fechada é, então, usado para outras regulações térmicas com propósitos de aquecimento ou resfriamento.

[021] As Figuras 2 a 4 incluem um fluido de resfriamento que pode ser ar de ventilador 95. O ar de ventilador 95 passa pelo trocador de calor 76 para resfriar o ar de compressor 92. O ar de compressor extraído 92 também pode ser ar alternativamente roteado 96 direcionado à região de ventilador ou de palheta-guia de saída e passado por outros trocadores de calor, tais como resfriadores em forma de tijolo e resfriadores de superfície.

[022] Um dispositivo de controle de fluxo opcional, por exemplo, porém, sem limitação é uma válvula de controle que pode ser incluída na alça, de modo que o fluxo de líquido de refrigeração possa estar tanto ligado, desligado ou modulado dependendo das condições de funcionamento.

[023] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, inclusive o melhor modo, e também para permitir que qualquer indivíduo versado na técnica pratique a invenção, inclusive que faça e use quaisquer dispositivos ou sistemas e desempenhe quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorrerem àqueles versados

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9/9 na técnica. Tais outros exemplos são destinados a estarem dentro do escopo das reivindicações, se possuírem elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

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Claims

Reivindicações

1. MÉTODO PARA OPERAR UM COMPRESSOR [24, 26] DE MOTOR DE TURBINA A GÁS [10] que tem múltiplos estágios [52, 54] de lâminas giratórias emparelhadas [56, 58] e palhetas estacionárias [60, 62] localizadas entre um invólucro de compressor externo [82] e um invólucro de compressor interno [80], em que o método é caracterizado pelo fato de que compreende:

- extrair ar de compressor [92] de um estágio a jusante [52, 54] do compressor [24, 26];

- passar o ar extraído através de um trocador de calor para resfriar o ar extraído; e

- introduzir o ar extraído resfriado em um estágio a montante [52, 54] do compressor [24, 26].
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a extração compreende extrair ar de compressor [92] a montante das lâminas [56, 58] para o estágio a jusante [52, 54] e a jusante das palhetas [60, 62] para o estágio a montante [52, 54].
3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a extração compreende extrair ar de compressor [92] adjacente ao invólucro de compressor externo [82].
4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a extração compreende extrair o ar adjacente a uma ponta das lâminas [56, 58] do estágio a jusante [52, 54].
5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a extração compreende extrair o ar adjacente a uma parede de extremidade das palhetas [60, 62] do estágio a jusante [52, 54].
6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a introdução compreende introduzir o ar extraído resfriado [94]

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2/2 a montante das lâminas [56, 58] para o estágio a montante [52, 54] e a montante das palhetas [60, 62] para o estágio a jusante [52, 54].
7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a introdução compreende introduzir o ar extraído resfriado [94] adjacente ao invólucro de compressor externo [82].
8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a introdução compreende introduzir o ar extraído resfriado [94] adjacente a uma ponta das lâminas [56, 58] do estágio a montante [52, 54].
9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a introdução compreende introduzir o ar extraído resfriado [94] adjacente a uma parede de extremidade das palhetas [60, 62] do estágio a montante [52, 54].
10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a introdução compreende introduzir o ar extraído resfriado [94] através de um interior das palhetas [60, 62] do estágio a montante [52, 54].

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