BR102017006418A2 - Closed rebound vessel apparatus and a pilot ignition supply method for a gas turbine engine rider - Google Patents

Description

“APARELHO DE VÓRTICE RETIDO FECHADO E MÉTODO DE FORNECIMENTO DE IGNIÇÃO-PILOTO PARA UM AUMENTADOR DE MOTOR DE TURBINA A GÁS” Antecedentes da Invenção [001] A presente invenção refere-se a motores de turbina de aeronave com aumentadores de impulso, e mais especificamente a aumentadores ou pós-combustores com cavidades de vórtice retido fechado.

[002] Aeronaves militares de desempenho alto incluem tipicamente um motor de turbina a gás turbofan com aumentadores de impulso ou pós-combustores para fornecer impulso adicional quando desejado, como durante a transição para voo supersônico. O motor turbofan inclui comunicação de fluxo em série a jusante, um ventilador multiestágio, um compressor multiestágio, um combustor, uma turbina de alta pressão que alimenta o compressor e uma turbina de baixa pressão que alimenta o ventilador. Um duto de desvio circunda e permite que uma porção do ar de ventilador desvie do compressor multiestágio, combustor, turbina de alta pressão e turbina de baixa pressão.

[003] Durante a operação, o ar é comprimido, por sua vez, através do ventilador e do compressor e é misturado com o combustível no combustor. O combustível é ignificado no combustor, gerando gases de combustão quentes de energia alta que fluem a jusante através dos estágios de turbina. Os estágios de turbina extraem energia desses gases de combustão. Os gases de núcleo quentes que saem dos estágios de turbina são, então, descarregados em uma seção de escape do motor, a qual inclui um hardware aumentador ou pós-combustor. Os gases que atravessam a seção de escape são descarregados do motor através de um bocal de escape de área variável, em que os gases fornecem impulso que aciona a aeronave.

[004] Os pós-combustores são localizados nas seções de escape dos motores de turbina. As seções de escape incluem um invólucro de escape e um forro de escape que circunscrevem uma zona de combustão. Os injetores de combustível (como barras de aspersão) e retentores de chama são montados entre o último estágio da seção de turbina e o bocal de escape. Esses injetores adicionam combustível adicional ao bocal de escape que, quando ignificado, fornece impulso aumentado que acelera a aeronave. O aumento de impulso ou o reaquecimento com uso de tal injeção de combustível é chamado de operação úmida, enquanto a operação seca se refere a um voo não aumentado quando os pós-combustores ou aumentadores não estão ativamente operacionais.

[005] Um duto de desvio anular se estende do ventilador até pelo menos o aumentador, desviando de uma porção do ar de ventilador em torno do motor de núcleo para o pós-combustor. O ar de desvio é misturado com os gases de núcleo e combustível das barras de aspersão de aumentador, ignificado, e queimado antes da descarga através do bocal de escape. O ar de desvio também é usado em parte para resfriar vários componentes de motor, como, por exemplo, o forro de escape.

[006] Vários tipos de retentores de chama são conhecidos e fornecem recirculação de velocidade baixa local e regiões de estagnação atrás dos mesmos, em regiões de gases de núcleo de velocidade alta de outro modo, para sustentar e estabilizar a combustão durante a operação de reaquecimento. Visto que os gases de núcleo são o produto de combustão no motor de núcleo, os mesmos são inicialmente quentes, e são adicionalmente aquecidos quando queimados com o ar de desvio e combustível adicional durante a operação de reaquecimento. Os aumentadores são atualmente usados para maximizar temporariamente o impulso e tendem a ser de corrente completa que consome todo o oxigênio disponível no processo de combustão, o que rende razões de aumento altas, por exemplo, uma razão de cerca de 70%.

[007] Em regiões imediatamente a jusante do retentor de chama, o fluxo de gás recircula parcialmente e a velocidade do fluxo de gás é menor que a taxa de propagação de chama. Nessas regiões, haverá uma chama estável existente que pode ignificar um combustível durante sua passagem. Infelizmente, os retentores de chama na corrente de gás causam de modo inerente as perdas de fluxo e eficácia de motor reduzida. Diversos motores de turbina a gás modernos e projetos incluem barras de aspersão de extensão radial e retentores de chama em um esforço para melhorar a estabilidade de chama e reduzir as perdas de fluxo. As barras de aspersão radiais integradas a retentores de chama radiais são reveladas nas Patentes n° U.S. 5.396.763 e 5.813.221. As barras de aspersão radial dispostas entre retentores de chama radiais que têm barras de aspersão radiais integradas foram incorporadas aos motores de turbina a gás de aeronave GE F414 e GE F110-132. Essa disposição fornece dispersão adicional do combustível para combustão mais eficaz e descarregar o abastecimento dos retentores de chama radiais com as barras de aspersão radiais integradas para que os mesmos não sejam apagados e/ou tenham combustão instável devido ao abastecimento excessivo.

[008] Visto que o combustível é tipicamente injetado a montante dos retentores de chama, a autoignição indesejável do combustível e a combustão que podem ocorrer a montante dos retentores de chama causam a deformação de retentor de chama, o que também reduz significativamente a vida útil dos retentores de chama. Visto que retentores de chama de calha em V são suspensos dentro dos gases de núcleo, é mais difícil de resfriar de modo eficaz os mesmos e, tipicamente, experimentar variação circunferencial em temperatura, o que afeta de modo correspondente o estresse térmico, diminuindo a vida útil dos mesmos. Os retentores de chama de calha em V têm capacidade de retenção de chama limitada e seu desempenho aerodinâmico e características impactam negativamente o desempenho de tamanho e a capacidade de impulso do motor. Isso é, em parte, devido ao fato de que a zona de combustão tem comprimento suficiente para permitir a combustão substancialmente completa do combustível adicionado pelas barras de aspersão antes da descarga através do bocal com velocidades de voo de faixa ampla e números de Mach.

[009] Os avanços recentes em projeto de retentor de chama como o piloto de cavidade de vórtice retido revelado na Patente n° U.S. 8.011.188, concedida em 6 de setembro de 2011, atribuída à cessionária da presente invenção e incorporada ao presente documento, a título de referência, em sua totalidade, foram desenvolvidos. Nesse projeto, a ignição de combustível para o aumentador é fornecida por um sistema de ignição formado em um espaço anular do forro de combustão. O espaço anular é um rebaixamento que forma uma cavidade no forro de combustão que se estende em 360° em torno do escape, que tem uma parede dianteira e uma parede traseira. A cavidade também inclui uma parede de cavidade externa posicionada radialmente para fora da linha de combustor. Visto que a cavidade é um rebaixamento no forro de combustão, não há parede que forma um limite com o fluxo de gás de escape. Conforme usado no presente documento, os termos dianteiro e traseiro são usados para descrever uma posição de um recurso em relação ao motor, em que dianteiro se refere a recursos posicionado mais em direção à frente do motor, traseiro se refere a recursos posicionados em direção ao escape de motor, enquanto o posicionamento radial é descrito com referência à linha central de motor. O sistema de ignição inclui furos de resfriamento e tubos injetores de combustível posicionados para injetar ar e combustível na cavidade que forma uma mistura de ar/combustível. Essa mistura de ar/combustível é ignificada por ignitores posicionados de modo operacional em torno da cavidade. O projeto específico dos furos de resfriamento determina o formato de um vórtice dentro da cavidade que forma a chama-piloto quando acesa pelos ignitores. Essa chama-piloto é, então, usada para ignificar ar e combustível no escape quando o motor é submetido à operação úmida, isto é, quando o aumento é exigido. O vórtice retido aberto criado dentro da cavidade está em comunicação direta com o fluxo de núcleo.

[010] Independentemente da tecnologia existente descrita acima, há uma necessidade por um aumentador com um aparelho de estabilização de chama que tem características de desempenho melhores que o aparelho de estabilização de chama anterior usado para ignificar pós-combustores ou aumentadores.

Descrição Resumida da Invenção [011] Essa necessidade é abordada por um aumentador com uso de uma estrutura piloto de vórtice retido fechado.

[012] De acordo com um aspecto da tecnologia descrita no presente documento, um aparelho de vórtice retido fechado inclui: uma estrutura tubular que tem uma parede estrutural, em que a parede estrutural forma uma cavidade dentro da estrutura tubular, em que a parede estrutural tem uma parede de limite inferior que forma um limite entre a cavidade e uma passagem de fluxo de núcleo; pelo menos um furo acionador que passa através da parede estrutural; uma fonte de ignição em comunicação com a cavidade; uma fonte de combustível em comunicação com a cavidade; e uma pluralidade de tubos de chama que se estendem através da parede de limite inferior da estrutura tubular em localizações pré-selecionadas, de modo a fornecer comunicação entre a cavidade e a passagem de fluxo de núcleo.

[013] De acordo com outro aspecto da tecnologia descrita no presente documento, um motor de turbina a gás escape aparelho inclui: um invólucro de escape; um forro de combustão espaçado radialmente para dentro do invólucro de escape; um duto de resfriamento definido por limites estabelecidos radialmente para dentro por uma primeira face do forro de combustão, e radialmente para fora pelo invólucro de escape; um duto de núcleo definido por uma segunda face do forro de combustão; e um aparelho aumentador, incluindo: uma barra de aspersão radial que se estende radialmente até o duto de núcleo, em que a barra de aspersão inclui tubos de combustível em comunicação com a fonte de combustível, em que a barra de aspersão é configurada para introduzir combustível no duto de núcleo, um aparelho de vórtice retido fechado disposto dentro do duto de resfriamento, em que o aparelho de vórtice retido fechado inclui: uma estrutura tubular que tem uma parede estrutural, em que a parede estrutural forma uma cavidade dentro da estrutura tubular, em que a parede estrutural tem uma parede de limite inferior que forma um limite entre a cavidade e o duto de núcleo, pelo menos um furo acionador que passa através da parede estrutural, uma fonte de ignição em comunicação com a cavidade; uma fonte de combustível em comunicação com a cavidade; e uma pluralidade de tubos de chama que se estendem através da parede de limite inferior da estrutura tubular em localizações pré-selecionadas que fornecem comunicação entre a cavidade e o duto de núcleo; em que o aparelho de cavidade de vórtice retido fechado do aparelho aumentador é localizado radialmente para fora do forro de combustor.

[014] De acordo com outro aspecto da tecnologia descrita no presente documento, um método de fornecer ignição-piloto para um aumentador de motor de turbina a gás inclui: passar um fluxo de núcleo que contém oxigênio através de um duto de núcleo; introduzir combustível no fluxo de núcleo para definir uma mistura de combustível; manter uma chama-piloto em um padrão de combustão de vórtice retido fechado em uma localização fora do duto de núcleo; comunicar a chama-piloto do vórtice retido fechado para o fluxo de núcleo em uma ou mais localizações distintas em torno da adjacência do duto de núcleo, de modo a ignificar a mistura de combustível.

Breve Descrição das Figuras [015] A invenção pode ser mais bem entendida com referência à descrição a seguir em combinação com as figuras de desenho anexas nas quais: A Figura 1 é uma vista em corte transversal de um sistema de escape que inclui um aumentador com uso de um projeto piloto de vórtice retido aberto da técnica anterior; A Figura 2 é uma vista em corte transversal de uma estrutura de vórtice retido fechado exemplificativa; A Figura 3 ilustra um corte transversal de um escape de motor que tem um aumentador e que utiliza uma estrutura de cavidade de vórtice retido fechado; A Figura 4 ilustra um corte transversal de um escape de motor que tem um aumentador e utiliza uma estrutura de cavidade de vórtice retido fechado, em que o corte transversal é tomado através de um tubo de chama da estrutura de cavidade de vórtice retido fechado; A Figura 5 é um corte transversal circunferencial através de uma parede de limite inferior da estrutura tubular da estrutura de cavidade de vórtice retido fechado da Figura 3 que mostra um primeiro exemplo de um corte transversal geométrico de tubo de chama; A Figura 6 é um corte transversal circunferencial através de uma parede de limite inferior da estrutura tubular da estrutura de cavidade de vórtice retido fechado da Figura 3 que mostra uma configuração alternativa de uma seção geométrica de tubo de chama; A Figura 7 é um corte transversal circunferencial através de uma parede de limite inferior da estrutura tubular da estrutura de cavidade de vórtice retido fechado que mostra outro terceiro exemplo alternativo de uma configuração de tubo de chama; e A Figura 8 é uma vista em corte transversal de uma configuração alternativa da estrutura de vórtice fechado, que mostra o efeito da posição de furo acionador no formato de vórtice.

Descrição Detalhada da Invenção [016] Um motor de turbina a gás turbofan para alimentar uma aeronave inclui um eixo geométrico de linha central longitudinal ou axial e tem uma seção de ventilador dianteira do motor de núcleo. O motor de núcleo inclui uma comunicação de fluxo a jusante em série, um compressor axial multiestágio, um combustor anular e uma turbina de alta pressão unida ao compressor de alta pressão por um eixo de acionamento de alta pressão. A jusante do motor de núcleo, uma turbina de baixa pressão multiestágio está unida à seção de ventilador por um eixo de acionamento de baixa pressão. O motor de núcleo é contido dentro de um invólucro de motor de núcleo e um duto de desvio anular fornece um trajeto de fluxo de desvio circunscrito em torno do motor de núcleo. Um invólucro de motor circunscreve o duto de desvio que se estende da seção de ventilador a jusante além da turbina de baixa pressão e adjacente à seção de escape. O duto de desvio anular pode ser definido por um forro de combustão, que forma o limite para fluxo de gás quente no fluxo de núcleo, e um forro de escape localizado radialmente para fora do forro de combustão e radialmente para dentro do invólucro de motor, em que o forro de escape se estende paralela e radialmente para fora do forro de combustão.

[017] O ar de motor entra no motor através da entrada de motor e é inicialmente pressurizado à medida que flui a jusante através da seção de ventilador, uma porção interna chamada de fluxo de ar de motor de núcleo que flui através do compressor. Uma porção externa do ar de motor chamada de ar de desvio é direcionada ao desvio do motor de núcleo e flui através do duto de desvio. O ar de motor de núcleo é adequadamente misturado com combustível pelos injetores de combustível de combustor principal e carburadores no combustor. A mistura de combustível/ar é ignificada, gerando gases de combustão quentes que fluem através das turbinas de alta pressão e baixa pressão. Os gases de combustor quentes, após passar através das turbinas, são descarregados na seção de escape do motor através de uma saída de núcleo anular como gases de núcleo em um trajeto de fluxo de corrente de núcleo, que é uma porção a montante do trajeto de fluxo de escape que se estende a jusante e na traseira das turbinas, através de um difusor que está na traseira e a jusante das turbinas no motor. O trajeto de fluxo de corrente de núcleo está localizado radialmente para dentro do duto de desvio dentro do forro de combustão.

[018] O difusor inclui um duto de difusor circunscrito por um forro difusor radialmente externo anular e é usado para diminuir a velocidade dos gases de núcleo à medida que entram no aumentador ou na seção de pós-combustor do motor. O aumentador ou a seção de pós-combustor do motor está localizado radialmente dentro do forro de combustor e a jusante do difusor. O eixo geométrico de linha central do motor também é o eixo geométrico de linha central do aumentador ou seção de pós-combustor do motor que é radialmente disposta em torno do eixo geométrico de linha central de motor. Um corpo central convergente que se estende para a traseira da saída de núcleo e parcialmente para a seção de aumentador radialmente para dentro se liga ao duto de difusor. O difusor é axialmente separado a montante ou pra a dianteira de uma extremidade dianteira do forro de combustor. Uma zona de combustão para a seção de aumentador no trajeto de fluxo de escape é circundada pelo forro de combustão e localizada radialmente para dentro do duto de desvio e a jusante e para a traseira da seção de aumentador.

[019] As palhetas de escapa se estendem radialmente através do trajeto de fluxo de escape e estão em comunicação com o duto de resfriamento. As palhetas de escape são tipicamente ocas e curvadas. As palhetas de escape ocas são projetadas para receber uma primeira porção de ar de desvio a partir do duto de resfriamento e injetar o mesmo no fluxo de núcleo através de furos de injeção de ar nas palhetas de escape. Esse ar e esses gases de núcleo se misturam na dianteira da seção de aumentador para formar o fluxo de escape. A seção de escape inclui um invólucro de escape anular disposto coaxialmente com e adequadamente fixado ao invólucro de motor correspondente e que circunda o trajeto de fluxo de escape. Está montada na extremidade traseira do invólucro de escape uma área variável que converge/diverge o bocal de escape através do qual o fluxo de escape é descarregado durante a operação de motor.

[020] A seção de escape inclui adicionalmente o forro de combustão espaçado radialmente para dentro do invólucro de escape, conforme anteriormente descrito, que define o duto de resfriamento anular através do qual o ar de desvio ou de resfriamento flui. A zona de combustão de escape dentro do fluxo de núcleo está localizada radialmente para dentro do forro de combustão na traseira da seção de turbina do motor. A seção de aumentador inclui uma pluralidade de retentores de chama radiais separados de modo circunferencial se estendendo radialmente para dentro de um forro difusor no trajeto de fluxo de escape. Cada um dentre os retentores de chama radiais inclui uma barra de aspersão integral. Os retentores de chama radiais são integrados de modo circunferencial com barras de aspersão radiais, em que uma barra de aspersão radial entre cada par adjacente de modo circunferencial dos retentores de chama radiais.

[021] As barras de aspersão integrais em cada um dos retentores de chama radiais da seção de aumentador incluem um ou mais tubos de combustível. Os tubos de combustível são unidos em comunicação de fluxo com um suprimento de combustível que é eficaz para canalizar o combustível para cada um dentre os tubos de combustível para injeção do combustível no fluxo de núcleo na traseira ou a jusante das palhetas de escape através das quais o ar de desvio é injetado para o fluxo de núcleo e a montante ou na dianteira da zona de combustão. Cada um dentre os retentores de chama radiais inclui uma blindagem de calor de retentor de chama que circunda os tubos de combustível. Os furos de combustível nos tubos de combustível são operáveis para injetar o combustível através das aberturas de blindagem de calor na blindagem de calor de retentor de chama e no fluxo de núcleo. Uma parede de retenção de chama voltada geralmente para a traseira e a jusante que tem uma superfície externa plana inclui furos de resfriamento de filme e é localizada em uma extremidade traseira da blindagem de calor de retentor de chama. Os retentores de chama radiais são varridos a jusante a partir de extremidades radialmente externas em direção a extremidades radialmente internas dos retentores de chama radiais. A parede de retenção de chama e a superfície externa plana são inclinadas em torno de um eixo geométrico de parede que é angulado em relação ao eixo geométrico de linha central do motor.

[022] As barras de aspersão de combustível radiais do aumentador são dispostas de modo circunferencial entre os retentores de chama radiais. O aumentador é ilustrado no presente documento com uma barra de aspersão radial entre cada par adjacente de modo circunferencial de retentores de chama radiais. Outras realizações de um aumentador ou pós-combustor podem empregar menos barras de aspersão radiais nas quais alguns dos pares adjacentes dos retentores de chama radiais não têm barra de aspersão radial entre os mesmos e outros dentre os pares adjacentes dos retentores de chama radiais têm pelo menos uma barra de aspersão radial entre os mesmos.

[023] Cada uma das barras de aspersão radiais inclui uma blindagem de calor de barra de aspersão que circunda um ou mais tubos de combustível. As barras de aspersão radiais podem ter um ou mais tubos de combustível. Os furos de combustível nos tubos de combustível injetam o combustível através das aberturas nas blindagens de calor de barra de aspersão no fluxo de núcleo.

[024] Conforme notado anteriormente, o ar de desvio é misturado no fluxo de núcleo. O aumentador usa o oxigênio de seu ar de desvio para combustão quando o combustível é adicionado ao fluxo de núcleo. A descrição do aumentador no motor é bem conhecida na técnica e é descrita em detalhes adicionais na Patente n° U.S. 8.011.188, concedida em 6 de setembro de 2011, atribuída à cessionária da presente invenção e incorporada ao presente documento, a título de referência, em sua totalidade. A patente de referência utiliza um piloto de cavidade de vórtice retido para ignificar a mistura de combustível-ar no fluxo de núcleo.

[025] A Figura 1 é uma ilustração de técnica anterior de um piloto de cavidade de vórtice retido utilizado para ignificar a mistura de ar-combustível. Na Figura 1, o fluxo de núcleo 39 inclui o ar de desvio adicionado a partir do duto de resfriamento anular 25. Também é ilustrada na Figura 1 uma barra de aspersão radial 53 que se estende para o fluxo de núcleo 39. Os tubos de combustível 51 se estendem para a barra de aspersão 53, em que os tubos de combustível 51 estão em comunicação fluida com uma fonte de combustível não mostrada. As blindagens de calor de barra de aspersão 204 são posicionadas em torno da barra de aspersão 53. Quando a operação úmida é exigida, o combustível é injetado através de furos de combustível que modificam o fluxo de núcleo na posição 128. Essa mistura de ar-combustível é ignificada pelo vórtice 69 retido no piloto de cavidade de vórtice retido 50.

[026] O piloto de cavidade de vórtice retido 50 é formado no forro de combustor 40, que tem uma parede frontal 134, uma parede traseira 148 e uma parede externa 130, em que as paredes formam parte do limite do forro de combustão 40 e definem uma cavidade 151 que se estende de modo circunferencial em torno do forro de combustão 40. A cavidade 151 forma uma calha que se estende em torno do forro de combustão no escape de motor. O ar é injetado na cavidade através de furos de injeção de ar 210, 212, 214, 216, enquanto o combustível é injetado durante a operação úmida de um suprimento de combustível, não mostrado, através da barra de aspersão de cavidade de vórtice 103 e misturado com o ar. A mistura de ar/combustível é ignificada durante a operação úmida pelo ignitor 98 criando um anel de chama na cavidade. O vórtice é retido na cavidade 151 e, quando ignificado, cria um anel de fogo em torno do forro de combustão, em que o vórtice acende a mistura de ar-combustível no fluxo de núcleo modificado que cria uma zona de combustão 44 que fornece o impulso adicional. A cavidade 151 inclui uma cavidade abertura 142 que expõe as paredes do forro de combustão que formam o interior da cavidade para o fluxo de gás de núcleo, assim como para qualquer radiação incidente que pode entrar no motor através do escape. Também, conforme pode ser evidente, quando o motor não é engatado na operação úmida, a cavidade 151 é constantemente exposta ao fluxo de núcleo.

[027] A tecnologia descrita no presente documento opera com uma seção de aumentador convencional que tem barras de aspersão como descrito acima, assim como outros projetos barra de aspersão para ignificar uma mistura de combustível-ar introduzida no fluxo de núcleo 39 que produz uma zona de combustão, resultando em operação úmida e dotando a aeronave de impulso sob demanda. Uma representação em corte transversal de uma estrutura de cavidade de vórtice retido fechado 500 em uma abertura 525 de um tubo de chama 523 que mostra um vórtice 569 é ilustrada na Figura 2. A estrutura de cavidade de vórtice retido fechado 500 compreende uma estrutura tubular 502 posicionada radialmente para fora de um forro de combustão 40.

Embora seja mostrada em uma realização exemplificativa como tendo apenas um corte transversal substancialmente quadrado, a geometria da estrutura de cavidade de vórtice retido fechado 500 não é tão limitada, visto que também pode ter, por exemplo, uma geometria circular, uma geometria retangular, uma geometria oval ou outras geometrias. A seleção de geometria será decidida maximamente com base em considerações, como a fabricação da estrutura tubular fechada 502 e a estabilidade do vórtice 569 dentro da estrutura tubular fechada.

[028] A estrutura tubular 502 de geometria pré-selecionada que forma a estrutura de cavidade de vórtice retido fechado 500 é definida por uma parede estrutural 504 que forma a geometria pré-selecionada. Há várias penetrações dentro da parede contínua de outro modo 504. Pelo menos um furo acionador 530 penetra a parede 504 que fornece comunicação entre a parte exterior da estrutura de cavidade de vórtice retido fechado e a cavidade 551, a qual é o interior da estrutura tubular 502. Na Figura 2, dois furos acionadores 530 são ilustrados. Os furos acionadores 530 determinam o formato de vórtice 569, e o número, posição, tamanho e formato de furos acionadores 530 são pré-selecionados e variados para alcançar um vórtice estável que tem um formato pré-selecionado. No exemplo ilustrado, o vórtice 569 é configurado como dois vórtices individuais que giram em direções opostas.

[029] A parede estrutural 504 de estrutura tubular 502 inclui uma pluralidade de furos de resfriamento 540 que fornece comunicação para resfriar o ar entre o exterior da estrutura de cavidade de vórtice retido fechado e a cavidade 551. Embora os furos acionadores 530 determinem a estrutura de vórtice, os furos de resfriamento que adicionam o ar de resfriamento têm um efeito significante na estrutura de vórtice. O tamanho e o formato de furo de resfriamento são selecionados para reforçar o padrão de vórtice. Por exemplo, pelo menos alguns dos furos de resfriamento 540 podem passar através da parede estrutural 504 em um ângulo agudo até uma superfície da parede estrutural. Na Figura 2, o vórtice retido 569 é ilustrado como separado da parede estrutural 504. Esse espaçamento seria o resultado de resfriamento de filme fornecido resfriando-se o ar através dos furos de resfriamento 540.

[030] A Figura 2 também ilustra uma penetração na parede estrutural 504 para uma barra de aspersão 103 dedicada à estrutura de cavidade de vórtice retido fechado 500. Alternativamente, outras fontes de combustível podem ser fornecidas, como um orifício simples em comunicação com a parede estrutural 504. A Figura 2 também ilustra uma penetração na parede estrutural 504 para um ignitor 98, também dedicado à estrutura 500. Alternativamente, outras fontes de ignição podem ser colocadas em comunicação com a cavidade 551. Por exemplo, uma fonte de gás aquecido ou de chama a partir de um combustor de piloto (não mostrado) pode ser usada no lugar do ignitor 98. Em operação úmida, o combustível é medido na cavidade 551 pela barra de aspersão de vórtice retido 103 e ignificado pelo ignitor 98, criando a chama no formato de vórtice 569. O combustível pode ser medido através de ranhuras na barra de aspersão 103, através de atomização de combustível ou por qualquer outro conjunto de procedimentos. Também é mostrada uma abertura 525 através de um tubo de chama 523 na parede de limite inferior 508 da estrutura de cavidade de vórtice retido fechado 500 que fornece comunicação entre a cavidade 551 e o fluxo de núcleo 39, 128. Em operação úmida, quando o vórtice é ignificado, uma porção da chama 571 ou gás quente (isto é, produtos de combustão) se estende através da abertura 525 no tubo de chama 523, o que permite que a chama atua como um piloto para ignificar a mistura de ar-combustível no fluxo de núcleo modificado 128 que ignifica a zona de combustão 44 durante a operação úmida. Um tubo de chama que penetra a parede de limite inferior 508 e se estende através do forro 40 que fornece comunicação entre a cavidade 551 e o fluxo de núcleo modificado, assim como um ignitor e uma barra de aspersão, são posicionados radialmente na estrutura de cavidade de vórtice retido fechado oposta às barras de aspersão radiais 53 do aumentador. Em uma construção alternativa, uma porção do forro 40 pode definir a parede de limite inferior. O número de tubos de chama 523, cavidade barras de aspersão de vórtice retido 103 e ignitores utilizados na estrutura de cavidade de vórtice retido fechado 500 é uma função de operabilidade exigida e desempenho do aumentador.

[031] A Figura 3 ilustra um corte transversal de um sistema de escape que mostra a estrutura de vórtice de cavidade retida 500 montada adjacente ao forro de combustor 40 em duto de resfriamento anular 25, em que o duto de resfriamento anular 25 é definido pelo forro difusor 15 e o forro de combustão 40 no lado radialmente para dentro do duto e do invólucro de escape 16. Resfriar o ar suprido pelo ventilador desvia o núcleo de motor no duto de resfriamento 25. Conforme pode ser visto no corte transversal ilustrado na Figura 3, a estrutura de vórtice de cavidade retida 500 é posicionada dentro de um duto de resfriamento anular 25 e radialmente para fora do forro de combustão 40. O ar tanto para o acionador de furo 530 quanto para os furos de resfriamento 540 na parede estrutural 504 é proveniente a partir do ar de resfriamento que flui no duto de resfriamento anular 25. Conforme é claro a partir das Figuras 2 e 3, a estrutura de cavidade de vórtice retido fechado 500 está atrás do forro de combustão 40 e tem apenas a comunicação através do forro de combustão 40, em que os tubos de chama 523 penetram a parede de limite inferior 508 da parede estrutural 504. Com exceção das penetrações de tubo de chama, a parede de limite inferior 508 é contínua.

[032] Alternativamente, os tubos de chama 523 podem ser uma estrutura separada, como um compósito CMC, incluindo, mas sem limitação, a construção de prega de Ox-Ox. Quando o tubo de chama 523 é construído como uma estrutura separada, o mesmo é fixado à estrutura de cavidade de vórtice retido fechado de modo a ser uma parte integral da estrutura de cavidade de vórtice retido fechado 500.

[033] Também é ilustrada na Figura 3 uma barra de aspersão radial 53. Uma pluralidade de barras de aspersão radiais 53 é posicionada radialmente dentro do fluxo de núcleo. O número de barras de aspersão radiais depende do tamanho do motor e do desempenho exigido pelo aumentador. Também é ilustrado na Figura 3 um corpo central 12, o qual se estende através da linha central de motor 8. O corpo central forma um limite interno para o fluxo de núcleo. Coletivamente, o duto de difusor 15, o forro de combustão 40, e o corpo central 12 definem um duto de núcleo 43 para o fluxo de núcleo 39 e o fluxo de núcleo modificado 128.

[034] A Figura 4 é similar à Figura 3, em que a estrutura de cavidade de vórtice retido fechado 500 é idêntica àquela mostrada na Figura 3, em que os detalhes da estrutura de cavidade de vórtice retido fechado 500 são ilustrados na Figura 2. Na Figura 4, uma palheta de escape 45 se estende para o fluxo de núcleo 39. A palheta de escape 45 pode ser oca e disposta em comunicação fluida com o ar de resfriamento do duto de resfriamento anular 25. A palheta de escape 45 pode incluir furos de injeção configurados para injetar uma porção do ar de resfriamento no fluxo de núcleo 39. Em operação úmida, o combustível de tubos de combustível 51 em barras de aspersão radiais é injetado no núcleo corrente 39, resultando em um fluxo de núcleo modificado 128. A chama de piloto da estrutura de vórtice fechado de cavidade 500 se projeta através da abertura de tubo de chama 525 que acende a mistura de combustível-ar em fluxo de núcleo modificado que produz a zona de combustão 44. Também é mostrada na Figura 4 a blindagem de calor de barra de aspersão 204. Embora apenas uma blindagem de calor seja mostrada na traseira da barra de aspersão 53, blindagens de calor de barra de aspersão adicionais 204 podem ser incluídas na frente e/ou lateralmente na barra de aspersão 53. A blindagem de calor não fornece apenas a proteção térmica para a barra de aspersão 53, mas também pode atuar como um corpo rombudo que retarda a velocidade de gases que fluem através da barra de aspersão no fluxo de núcleo. Essa redução na velocidade permite que uma chama acesa pela chama-piloto 571 se projete através abertura de tubo de chama 525 para propagar o corpo rombudo.

[035] Conforme deve ser claro a partir das Figuras 2 a 4, exceto quando os tubos de chama 523 penetram a parede de limite inferior 508 da estrutura tubular 502 e o forro de combustão 40, o vórtice 569 é confinado dentro da estrutura tubular 502 e não é submetido às particularidades de fluxo de núcleo. A estrutura de vórtice de cavidade retida fechada 500 pode ser presa ao forro de combustão 40 por qualquer meio conveniente. Preferencial mente, a sustentação pode ser fornecida pelos tubos de chama em que os tubos de chama 523 penetram no forro de combustão 40. Alternativamente, a estrutura de vórtice de cavidade retida 500 pode ser soldada ao forro de combustão 40, ou a estrutura 500 pode ser suspensa a partir do invólucro de escape 16. Em uma realização, o lado de forro de combustão 40 oposto ao fluxo de núcleo 128 pode formar a parede de limite inferior 508 de estrutura tubular 502.

[036] As Figuras 5 a 7 são vistas em corte transversal da estrutura de parede de limite inferior 508 vista a partir do duto de resfriamento anular através do forro de combustão 40 que mostra o formato das aberturas de tubo de chama 525. Conforme é demonstrado nas Figuras, o formato e a orientação das aberturas de tubo de chama 525 podem ser variados. Por exemplo, as aberturas de tubo de chama 525 podem circulares, conforme visto na Figura 5. Como outro exemplo, as mesmas podem ter o formato de fendas alongadas. A Figura 6 mostra um exemplo em que as aberturas de tubo de chama 525 têm um formato de "pista" alongada que se estende em uma direção axial, e a Figura 7 mostra um exemplo em que as aberturas de tubo de chama 525 de formato de pista alongada se estendem em uma direção circunferencial ou tangencial. O tamanho das aberturas de tubo de chama 525 devem ser suficientemente grandes para uma chama-piloto ou gases quentes (isto é, produtos de combustão) se projetar através das mesmas para um fluxo de núcleo, mas deve ser, de outro modo, o menor possível.

[037] A Figura 8 demonstra uma realização alternativa da estrutura de cavidade de vórtice retido fechado 500. Conforme mostrado na Figura 8, a localização de furos acionadores 530 na parede estrutural 504 da estrutura de cavidade de vórtice retido fechado 500 determina o formato do vórtice 569. Os furos acionadores 530 em posições diferentes e que têm tamanhos diferentes permitem a personalização do vórtice 569 para um formato pré-selecionado. No exemplo ilustrado, o vórtice 569 é configurado como um vórtice grande único dentro da cavidade. Os recursos na Figura 8 são idênticos de outro modo àqueles mostrados na Figura 2.

[038] Uma vantagem da estrutura de vórtice de cavidade retida descrita no presente documento é que uma estrutura é separada do forro de combustão. A estrutura de vórtice de cavidade retida pode ser localizada radialmente para fora do forro de combustão. Apenas tubos de chama distintos posicionados na traseira das barras de aspersão de aumentador penetram o forro de combustor, o que fornece comunicação entre a estrutura de vórtice de cavidade retida no fluxo de núcleo.

[039] Outra vantagem da estrutura de cavidade de vórtice retido fechado descrita no presente documento, em comparação a outros pilotos para fontes de ignição, como cavidades de vórtice retido aberto, é a de fornecer uma chama mais estável e é, desse modo, uma fonte de ignição mais estável devido ao vórtice ser formado em uma cavidade fechada. Quando o vórtice é ignificado para formar uma chama, o mesmo é protegido do fluxo de núcleo exceto nas localizações distintas dos tubos de chama. O mesmo é protegido de quaisquer rupturas devido a variações no fluxo de núcleo.

[040] Devido ao fato de que a estrutura de vórtice de cavidade retida é posicionada para que seja substancialmente localizada dentro do duto de resfriamento, com a exceção de tubos de chama, a mesma é mais fácil de resfriar, particularmente quando o motor está em operação seca. As condições de operação mais frias devem resultar em uma vida útil mais longa dos componentes que compreendem a estrutura de vórtice de cavidade retida.

[041] O supracitado descreveu um aparelho de vórtice retido fechado e método para um motor de turbina a gás. Todos os recursos revelados nesse relatório descritivo (incluindo quaisquer reivindicações, resumo e desenhos anexos), e/ou todas as etapas de quaisquer métodos ou processos descritos podem ser combinados em qualquer combinação, exceto por combinações em que pelo menos alguns de tais recursos e/ou etapas são mutuamente exclusivos.

[042] Cada recurso revelado neste relatório descritivo (incluindo quaisquer reivindicações, resumo e desenhos anexos) pode ser substituído por recursos alternativos que servem para o mesmo propósito, um equivalente ou similar, a menos que expressamente declarado de outro modo. Desse modo, a menos que seja expressamente declarado de outro modo, cada recurso revelado é apenas um exemplo de uma série genérica de recursos equivalentes ou similares.

[043] A invenção não se restringe aos detalhes da realização (ou realizações) antecedente. A invenção se estende a quaisquer recursos inovadores ou qualquer combinação inovadora dos recursos revelados neste relatório descritivo (incluindo quaisquer reivindicações, resumo e figuras anexas), ou a quaisquer etapas inovadoras ou qualquer combinação inovadora das etapas de qualquer método ou processo revelado.

Lista de Componentes Reivindicações

Claims (13)

1. APARELHO DE VÓRTICE RETIDO FECHADO (500) caracterizado pelo fato de que compreende: uma estrutura tubular (502) que tem uma parede estrutural, em que a parede estrutural forma uma cavidade (551) dentro da estrutura tubular (502), em que a parede estrutural tem uma parede de limite inferior que forma um limite entre a cavidade (551) e uma passagem de fluxo de núcleo; pelo menos um furo acionador (530) que passa através da parede estrutural; uma fonte de ignição (98) em comunicação com a cavidade (551); uma fonte de combustível (103) em comunicação com a cavidade (551); e uma pluralidade de tubos de chama (523) que se estendem através da parede de limite inferior da estrutura tubular (502) em localizações pré-selecionadas, de modo a fornecer comunicação entre a cavidade (551) e a passagem de fluxo de núcleo.

2. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, uma pluralidade de furos de resfriamento (540) formados na parede estrutural, em que os furos de resfriamento (540) passam através da parede estrutural em um ângulo agudo até uma superfície da parede estrutural.

3. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de ignição (98) compreende um ignitor (98) que se estende através da parede estrutural até a cavidade (551).

4. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de combustível (103) compreende uma barra de aspersão (103) que se estende através da parede estrutural até a cavidade (551).

5. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura tubular (502) se estende, pelo menos parcialmente, em torno da passagem de fluxo de núcleo.

6. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura tubular (502) se estende em 360° em torno da passagem de fluxo de núcleo.

7. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os tubos de chama (523) são configurados como fendas alongadas.

8. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente: um invólucro de escape (16); um forro de combustão (40) espaçado radialmente para dentro do invólucro de escape (16); um duto de resfriamento (25) definido por limites estabelecidos radialmente para dentro por uma primeira face do forro de combustão (40), e radialmente para fora pelo invólucro de escape (16); um duto de núcleo (43) definido, pelo menos em parte, por uma segunda face do forro de combustão (40); e um aparelho aumentador, que inclui: uma barra de aspersão radial (53) que se estende radialmente até o duto de núcleo (43), em que a barra de aspersão (53) inclui tubos de combustível em comunicação com uma fonte de combustível, em que a barra de aspersão (53) é configurada para introduzir combustível no duto de núcleo (43), o aparelho de vórtice retido fechado (500), conforme definido na reivindicação 1, em que o aparelho de vórtice retido fechado é disposto dentro do duto de resfriamento (25).

9. APARELHO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: um forro difusor (15) espaçado radialmente para dentro do invólucro de escape (16) e a montante do forro de combustão (40), em que o forro difusor (15) tem uma primeira face em cooperação com o forro de combustão (40) para definir o duto de núcleo (43), e uma segunda face oposta que define uma porção do duto de resfriamento (25); e uma palheta de escape oca (45) que se estende radialmente até o duto de núcleo (43) a partir do forro difusor (15), em que a palheta de escape (45) está em comunicação fluida com o duto de resfriamento (25) e inclui furos de injeção configurados para injetar ar no duto de núcleo (43).

10. MÉTODO DE FORNECIMENTO DE IGNIÇÃO-PILOTO PARA UM AUMENTADOR DE MOTOR DE TURBINA A GÁS caracterizado pelo fato de que compreende: passar um fluxo de núcleo que contém oxigênio através de um duto de núcleo; introduzir combustível no fluxo de núcleo para definir uma mistura de combustível; manter uma chama-piloto em um padrão de combustão de vórtice retido fechado em uma localização fora do duto de núcleo; comunicar pelo menos um dentre a chama-piloto e os gases quentes do vórtice retido fechado ao fluxo de núcleo em uma ou mais localizações distintas em torno da adjacência do duto de núcleo, de modo a ignificar a mistura de combustível.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o padrão de combustão de vórtice retido compreende um vórtice único.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o padrão de combustão de vórtice retido compreende dois ou mais vórtices.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato que o combustível é introduzido no fluxo de núcleo através de uma barra de aspersão radial disposta a montante de um retentor de chama radial, em que a barra de aspersão e o retentor de chama são dispostos a montante da chama-piloto.