BR112012014057B1 - câmara de combustão para turbomáquina e turbomáquina - Google Patents

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Abstract

CÂMARA DE COMBUSTÃO PARA MOTOR DE TURBINA. A invenção refere-se a uma câmara de combustão (1) para uma turbina tal como um turbo reator ou turbopropulsor de avião, compreendendo paredes anulares internas e externas (3,4) de revolução, ligadas por uma parede anular do fundo da câmara (5). A parede interna (3) é constituída por uma única camada de material cuja espessura e/ou a natureza varia ao longo do eixo longitudinal e/ou a direção circunferencial da referida parede (3).

Description

[0001] A invenção refere-se a uma câmara de combustão para uma turbomáquina, tal como turborreator ou turbopropulsor de avião.
[0002] Uma câmara de combustão compreende paredes de revolução coaxiais que se estendem uma no interior da outra e que são ligadas em suas extremidades através de uma parede anular de fundo da câmara comportando aberturas de alimentação de ar e meios de condução de combustível comportando especialmente injetores.
[0003] As paredes interna e externa da câmara comportam orifícios de entrada de ar primário e de ar de diluição, e zonas apresentando multiperfurações para a passagem de ar de resfriamento.
[0004] Para resistir melhor às temperaturas extremas, é conhecido montar barreiras térmicas sobre as paredes da câmara de combustão, estas barreiras apresentando-se sob a forma de espessuras de material adicionais apoiadas sobre as paredes.
[0005] O documento JP 6167245 descreve uma câmara de combustão, cuja parede interna tem uma espessura constante e é coberta com uma barreira térmica de espessura variável.
[0006] A utilização de uma barreira térmica aumenta a resistência da câmara às temperaturas elevadas, mas aumenta o seu peso.
[0007] Para satisfazer as exigências do mercado, é necessário reduzir o peso da câmara de combustão. No entanto, a vida útil da câmara de combustão não deve ser diminuído. Em particular, as paredes devem ser dimensionadas de modo a resistir a danos de fluência. Lembramos que a fluência é a deformação irreversível de um material submetido a uma tensão constante durante um tempo suficiente. Esta deformação é acentuada pelas elevadas temperaturas a que estão sujeitas as paredes da câmara de combustão.
[0008] A invenção tem por objetivo especialmente proporcionar a solução de um problema de maneira simples, eficiente e econômica.
[0009] Para este fim, propõe-se uma câmara de combustão para turbomáquina, tal como um turborreator ou turbopropulsor de avião, compreendendo paredes anulares interna e externa de revolução, ligadas por uma parede anular de fundo de câmara, caracterizada pelo fato de sua parede interna ser constituída por uma única espessura de material, cuja espessura e/ou a natureza varia ao longo do eixo longitudinal da direção circunferencial da referida parede, enquanto sua parede anular externa tem uma espessura sensivelmente constante.
[0010] A invenção permite aumentar a resistência da câmara de combustão a temperaturas extremas, sem a utilização de barreiras térmicas, e sem aumentar a massa, modificando localmente a espessura e/ou a natureza do material das paredes da câmara.
[0011] A parede anular externa é geralmente menos quente do que a parede anular interna e, por conseguinte, não necessita de adaptação especial da sua estrutura.
[0012] De acordo com uma forma de realização da invenção, a parede interna da câmara de combustão, constituída de uma única espessura de material, apresenta pelo menos uma zona dita quente com alto gradiente térmico, de maior espessura e pelo menos uma zona dita fria com mais baixo gradiente térmico, de menor espessura.
[0013] As zonas "quentes" sendo zonas sujeitas aos maiores gradientes térmicos, é vantajoso aumentar a sua espessura.
[0014] De acordo com outra característica da invenção, a parede interna da câmara de combustão, constituída por uma única espessura de material, tem pelo menos duas zonas ou zonas adjacentes constituídas de materiais diferentes.
[0015] Como mencionado acima, é também possível utilizar um material mais resistente localmente, nas zonas mais quentes ou nas zonas submetidas aos gradientes térmicos mais elevados, e um material menos resistente e mais leve, nas zonas mais frias ou zonas submetidas aos gradientes térmicos mais baixos.
[0016] De preferência, a parede interna da câmara de combustão, de espessura variável, é feita por usinagem.
[0017] A usinagem permite obter tolerâncias dimensionais mais baixas do que aquelas de formação de chapas convencionalmente utilizada para a realização das câmaras de combustão.
[0018] Por outro lado, a usinagem permite variar a espessura da parede interna, tanto ao longo do eixo longitudinal e ao longo de uma direção circunferencial.
[0019] Alternativamente, a parede interna da câmara de combustão, de espessura variável, é feita por estiramento e formação de chapa.
[0020] Este método é mais simples e menos dispendioso do que a usinagem.
[0021] As zonas de espessura e/ou natureza variável da parede interna da câmara de combustão compreendem pelo menos uma das zonas pertencentes ao grupo compreendendo as zonas situadas entre os injetores, as zonas que compreendem furos de ar primário, de ar de diluição, as zonas comportando flanges de fixação anular, e as zonas comportando multiperfurações.
[0022] A invenção diz respeito ainda a uma turbomáquina, tal como um turborreator ou turbopropulsor de avião, tendo uma câmara de combustão do tipo acima descrito.
[0023] A invenção será melhor compreendida e outros detalhes, características e vantagens da invenção aparecem na leitura da descrição seguinte, dada a título de exemplo não limitativo com referência aos desenhos anexos, em que: - A Figura 1 é uma visão esquemática parcial em corte axial de uma câmara de combustão anular de uma turbomáquina. - A Figura 2 é uma visão em perspectiva de um setor da câmara de combustão da Figura 1. A Figura 3 é uma visão de um detalhe da invenção, mostrando uma seção da parede anular interna da câmara de combustão da Figura 1.
[0024] Como mostrado nas Figuras 1 e 2, uma câmara anular de combustão de turbomáquina 1 está disposta na saída de um difusor 2, que está localizado na saída de um compressor (não mostrado), e inclui paredes anulares de revolução interna e externa 3, 4 ligadas a montante a uma parede anular do fundo da câmara 5 e fixadas a jusante por flanges anulares interno e externo 6,7 respectivamente sobre uma vela troncônica interna 8 do difusor 2 e sobre uma extremidade de um cárter externo 9 da câmara 1, a extremidade a montante do cárter 9 estando ligada por uma vela troncônica externa 10 ao difusor 2.
[0025] A parede anular do fundo da câmara 5 comporta aberturas 11 (Figura 2) através das quais passa o ar proveniente do difusor 2 e que servem para a montagem dos injetores de combustível 12 fixados no cárter externo 9 e regularmente distribuídas em torno do eixo longitudinal da câmara. Cada injetor 12 inclui uma cabeça de injeção de combustível 13 centrada na abertura 11 da parede anular 5 e ligada ao eixo da abertura 11.
[0026] Uma parte do fluxo de ar fornecida pelo compressor e saindo através do difusor 2 passa através das aberturas 11 e alimenta a câmara de combustão, a outra parte do fluxo de ar alimentando os canais anulares interno e externo 14, 15 de contorno da câmara de combustão.
[0027] O canal interno 14 é formado entre a vela interna 8 do difusor 2 e a parede interna 3 da câmara, e o ar que passa através desse canal é dividido em um fluxo para dentro da câmara através de orifícios 16, 17 de ar primário e do ar de diluição (Figura 2) da parede interna 3 e em fluxo que passa através dos orifícios no flange interno 6 da câmara 1 para arrefecer os componentes, não mostrados, situados a jusante da câmara 1.
[0028] O canal externo 15 é formado entre o cárter externo 9 e a parede externa 4 da câmara 1, e o ar que passa através desse canal é dividido em um fluxo para dentro da câmara através de orifícios 18, 19 de ar primário e ar de diluição (Figura 2) da parede externa 4 e um fluxo que passa através de orifícios 7 para o flange externo para arrefecer os componentes a jusante.
[0029] Os furos 16, 18 de entrada de ar primário são regularmente distribuídos sobre circunferências das paredes interna e externa 3, 4, respectivamente, centrados sobre o eixo da câmara 1, e os furos 17, 19 de entrada do ar de diluição são regularmente distribuídos sobre circunferências das paredes interna e externa 3, 4, respectivamente, centrados sobre o eixo da câmara 1 a jusante dos orifícios 16, 18.
[0030] As paredes anulares interna e externa 3, 4 compreendem ainda microperfurações (não visíveis) para a passagem de ar de resfriamento.
[0031] Em funcionamento, as paredes anulares externa e interna 3, 4 apresentam zonas tendo diferentes temperaturas, esta heterogeneidade de temperaturas é representada esquematicamente na Figura 2 sob a forma das zonas 20, 21, 22, 23, distintas umas das outras.
[0032] Este fenômeno diz respeito em particular à parede anular interna 3. As zonas de temperaturas são numeradas por valores crescentes de temperatura. Assim, as zonas 20 são zonas relativamente mais "frias" submetidas a gradientes térmicos mais baixos e a zona 23 é a zona mais "quente”, submetida a gradientes térmicos mais elevados. Esta repartição de zonas só é dada a título de exemplo e resulta notadamente da estrutura particular da câmara de combustão 1.
[0033] A presença e a localização das diferentes zonas 20 a 23 podem ser colocadas em evidência por simulação pelo cálculo ou pela aplicação de uma pintura reagente à temperatura, cuja tinta, após o funcionamento da câmara de combustão varia localmente em função da temperatura.
[0034] De acordo com a invenção, a parede interna 3 é constituída por uma única espessura de material cuja espessura e/ou a natureza varia ao longo do eixo longitudinal e/ou a direção circunferencial da referida parede.
[0035] No exemplo de realização representado em todas as figuras, é variável localmente a espessura da parede interna, do mesmo, modo que compreende as zonas 20 a 23 de temperaturas diferentes.
[0036] Assim, como mostrado na Figura 3, a parede anular interna 3 é constituída de uma única espessura de material e comporta as zonas de maior espessura e1 (ver Figura 3), por exemplo, as zonas 22 e 23, e as zonas de menor espessura e2, por exemplo, as zonas 20 e 21.
[0037] As zonas de maior espessura são aquelas que, em funcionamento, estão sujeitas às temperaturas mais elevadas, por exemplo, da ordem de 1000 °C. Estas zonas têm uma espessura e1 compreendida entre 1 e 2 mm, de preferência da ordem de 1,5 mm. Inversamente, as zonas de espessura mais baixa são aquelas que em funcionamento, estão sujeitas às temperaturas mais baixas. Estas zonas têm uma espessura e2 compreendida entre 0,5 e 1 mm, de preferência da ordem de 1 mm.
[0038] A parede anular externa 4 apresenta quanto a ela uma espessura sensivelmente constante, compreendida entre 1 e 1,5 mm, de preferência da ordem de 1,2 mm.
[0039] Pode-se assim, por exemplo, partindo de uma câmara de combustão conhecida cujas paredes de revolução têm uma espessura constante de 1,5 mm, realizar uma câmara de combustão mais leve, tendo uma parede externa de revolução com espessura de 1,2 mm e uma parede interna de revolução tendo uma espessura de 1,5 mm nas zonas quentes e de 1 mm nas zonas mais frias, a massa desta câmara sendo aquela de uma câmara tendo paredes de uma espessura constante igual a 1,2 mm.
[0040] A câmara de combustão, de acordo com a invenção, em particular a parede interna 3 de espessura variável, é produzida por usinagem.
[0041] De maneira alternativa, a parede interna 3 de espessura variável é realizada por estiramento e formação de chapa.
[0042] De acordo com uma forma de realização não mostrada nos desenhos, as zonas de espessura variável poderiam ser substituídas ou poderiam incluir zonas de diferentes tipos, de maneira a comportar as zonas constituídas de um material com elevada resistência térmica nas zonas mais quentes e as zonas feitas de um material com menor resistência térmica, mas mais leve nas zonas mais frias.
[0043] Do mesmo modo, as zonas de naturezas diferentes podem permitir prevenir a formação de fissuras, o material podendo ser trocado localmente a fim de que as zonas inicialmente utilizadas sob tensão, nas quais podem se iniciar fissuras, sejam solicitadas em compressão devido ao comportamento das zonas limítrofes.
[0044] Cada uma destas formas de realização permite diminuir o peso da câmara de combustão, melhorando a sua resistência térmica e, assim, a sua vida útil.
[0045] As zonas de espessura e/ou natureza variável da parede interna 3 são notadamente as zonas situadas entre os injetores 12, as zonas compreendendo os furos de ar primário 16 e de ar de diluição 17, as zonas comportando os flanges anulares de fixação 6, e as zonas comportando multiperfurações.

Claims (7)

1. Câmara de combustão (1), para turbomáquina tal como um turborreator ou turbopropulsor de avião, compreendendo paredes anulares interna e externa (3, 4) de revolução, ligadas por uma parede anular de fundo de câmara (5), caracterizada pelo fato de sua parede interna (3) ser constituída por uma única espessura de material, cuja espessura (e1, e2) e/ou a natureza varia ao longo do eixo longitudinal e da direção circunferencial da referida parede (3) enquanto que sua parede anular externa (4) apresenta uma espessura sensivelmente constante e um material de natureza constante.
2. Câmara de combustão (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de sua parede interna constituída por uma única espessura de material compreender pelo menos uma zona dita quente (23, 22) com um gradiente térmico elevado, de maior espessura (e1), e pelo menos uma zona dita fria (21, 20) com gradiente térmico mais baixo, de menor espessura (e2).
3. Câmara de combustão (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de sua parede interna constituída por uma única espessura de material apresenta pelo menos duas zonas adjacentes constituídas de materiais diferentes.
4. Câmara de combustão (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de sua parede interna de espessura variável ser realizada por usinagem.
5. Câmara de combustão (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de sua parede interna de espessura variável ser realizada por estiramento e formação de chapa.
6. Câmara de combustão (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de as zonas de espessura (e1, e2) e/ou de natureza variável de sua parede interna compreenderem pelo menos uma das zonas que fazem parte do grupo compreendendo as zonas situadas entre os injetores (12), as zonas que compreendem furos de ar primário (16, 18) e de ar de diluição (17, 19), as zonas comportando flanges anulares de fixação (6, 7), e as zonas comportando mutiperfurações.
7. Turbomáquina, tal como um turborreator ou turbopropulsor de avião, caracterizada pelo fato de comportar uma câmara de combustão (1) como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.
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