BR112012024179B1

BR112012024179B1 - câmara de combustão anular para turbomáquina e turbomáquina

Info

Publication number: BR112012024179B1
Application number: BR112012024179-6A
Authority: BR
Inventors: Thierry Cortes
Original assignee: Snecma
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2020-08-25
Also published as: RU2563424C2; US9383106B2; FR2958013A1; CN102812297B; EP2553340A1; EP2553340B1; CA2794243C; WO2011117543A1; FR2958013B1; BR112012024179A2; US20130008166A1; CN102812297A; RU2012144323A; CA2794243A1

Abstract

CÂMARA DE COMBUSTÃO DE TURBOMÁQUINA QUE TEM UM COMPRESSOR CENTRÍFUGO SEM DEFLETOR. Trata-se de uma câmara de combustão anular para uma turbomáquina que compreende uma parede externa (11) e uma parede interna (12) que são orientadas substancial e axialmente em relação ao eixo geométrico de rotação de turbomáquina, sendo que a dita câmara de combustão é fechada a montante por uma parede de extremidade de câmara (13) orientada substancialmente e radialmente, sendo que a dita câmara (1) é suprida com ar comprimido vindo partir de um compressor por meio de um bocal (3), a direção de saída do qual é descolada radialmente em relação ao eixo geométrico mediano (10) da câmara de combustão (1), sendo que a dita parede de extremidade de câmara tem orifícios de suprimento de ar de resfriamento inclinados na direção normal para a dita parede de extremidade de câmara (13). É caracterizada pelo fato de que o número de orifícios orientados radialmente na direção oposta a essa em que a saída do dito bocal está localizada é maior que o número de orifícios orientados radialmente na direção de saída do dito bocal.

Description

CÂMARA DE COMBUSTÃO ANULAR PARA TURBOMÁQUINA E TURBOMÁQUINA

[0001] O campo da presente invenção é o das turbomáquinas e, mais particularmente, o das câmaras de combustão para essas turbomáquinas.

[0002] A câmara de combustão de um motor de turbina a gás recebe ar comprimido que vem a partir de um compressor de alta pressão disposto a montante e entrega, a jusante, um gás que foi aquecido pela combustão de um combustível misturado com esse ar comprimido. A câmara é geralmente do tipo anular e é abrigada dentro de uma carcaça de motor, a jusante do difusor, a função da qual é, desacelerando-se o fluxo de ar, para converter a energia da compressão em uma forma que é compatível com a operação do motor de combustão para orientar o fluxo de ar comprimido que sai do compressor. Também compreende uma parede interna e uma parede externa entre os mesmos delimitando uma zona de combustão. Em sua parte a montante, a câmara compreende uma parede de fundo de câmara transversal em que as aberturas são formadas, cada abertura sendo equipada com um sistema para suprir ar carburado. Tal sistema é suprido com combustível a partir de um injetor de combustível líquido e geralmente compreende grelhas anulares concêntricas que geram um fluxo de ar em redemoinho que encoraja o ar a se misturar com a folha de combustível pulverizado. A câmara de combustão termina a jusante em uma abertura que abre em um bocal de turbina e, de modo mais geral, no módulo de turbina da turbomáquina.

[0003] O ar do difusor entre em uma zona que cerca a câmara de combustão e alguma parte do mesmo flui ao longo das paredes interna e externa da mesma enquanto que a outra entra no interior da câmara de combustão e desempenha um papel na queima da mistura de ar-combustível em uma zona de combustão. A zona de combustão é esquematicamente dividida em duas partes: uma zona primária situada imediatamente à jusante da parede de fundo de câmara e em que a mistura é queimada, em proporções quase estequiométricas graças a uma entrada de ar conhecida como a entrada de ar primária e uma parte secundária ou zona de diluição, situada ademais à jusante, em que os gases são misturados com ar de resfriamento adicional que entra por meio de furos conhecidos como furos de diluição.

[0004] Na técnica antecedente, a proteção na forma de defletores setorizados demarca o interior da parede de fundo de câmara e tem o papel de proteger a mesma da radiação intensa produzida na zona de combustão primária. O ar é, portanto, introduzido por meio de orifícios feitos na parede de fundo de câmara atrás dos defletores a fim de resfriá-los. Esse ar flui ao logo da face traseira dos defletores e é, então, guiado para formar um filme ao longo da face interior das paredes interna e externa da câmara.

[0005] Esses defletores são submetidos a temperaturas muito altas e, a fim de não se tornarem queimados durante o uso, os mesmos precisam de uma quantidade grande de ar de resfriamento e isso diminui a eficácia da câmara. Seria, portanto, desejável dispensar o defletor e isso teria também vantagens concomitantes significantes: por causa da massa de metal que constitui, o consumo de ar de resfriamento é maior que a quantidade que seria necessária para resfriar a parede de fundo de câmara sozinha. Haveria, portanto, uma economia vantajosa na vazão ainda por cima.

[0006] Para essa finalidade, as soluções foram concebidas para resfriar a parede de fundo de câmara sem encaixar um defletor. Uma solução que foi apresentada é resfriar a parede de fundo de câmara com o uso de múltiplas perfurações e orientar o fluxo de ar que passa através dessas perfurações de modo que limpe o interior da parede de fundo de câmara. Essa solução é notavelmente descrita no Pedido de Patente FR 2 856 467 depositado no nome da companhia requerente. Propõe fazer perfurações cilíndricas na parede de fundo de câmara e inclinar essas perfurações orientando-se as mesmas de tal modo que os fluxos de ar sejam inclinadas de modo crescente acentuadamente mais próximas ao eixo da câmara. As inclinações descritas estão entre 5 e 60°.

[0007] Embora essa solução é bem adequada para um motor em que o compressor é do tipo axial, isto é, um motor em que o difusor do qual é posicionado ao longo do eixo dos injetores da câmara de combustão, não é ideal para uma turbomáquina que tem um compressor centrífugo. Isso é porque esses motores, que são usualmente pequenos no tamanho, têm o difusor situado na periferia da zona que cerca a câmara de combustão e o ar de saída é orientado axialmente no lado externo da câmara de combustão. Há um risco de que a parede externa será, portanto, adequadamente resfriada, mas, por outro lado, que uma parede interna será insuficientemente resfriada e poderia se tornar queimada. Um aumento na vazão de resfriamento para combater este fenômeno iria prejudicar a eficácia da câmara e seria acompanhado pela produção de tipos não queimadas tal como monóxido de carbono CO.

[0008] Além disso, essa solução tem a desvantagem de maior dificuldade em definir o circuito de resfriamento durante a fase de projeto de motor. Isso é porque é necessário esperar a fase de projeto de motor detalhada, com um ciclo de motor que já está estabilizado, antes de uma caracterização significativa da aerodinâmica do fluxo de ar que sai do difusor se tornar disponível de modo que o padrão de perfuração definitiva possa ser otimizado. Métodos de computação exigentes têm que, portanto, ser usados a fim de obter a solução definitiva.

[0009] É um objetivo da presente invenção superar essas desvantagens propondo-se um dispositivo para resfriar a parede de fundo de câmara de uma câmara de combustão de uma turbomáquina com um compressor centrífugo que não tem pelo menos algumas das desvantagens da técnica antecedentes e, particularmente, que não exige um defletor e que garante uma temperatura relativamente uniforme para ambas as paredes externa e interna dessa câmara, sem aumentar a necessidade de ar de resfriamento.

[0010] Para essa finalidade, um assunto da invenção é uma câmara de combustão anular para uma turbomáquina que compreende uma parede externa e uma parede interna que são orientadas sensivelmente axialmente com respeito ao eixo de rotação da turbomáquina e que é fechada na extremidade a montante por uma parede de fundo de câmara orientada sensivelmente radialmente, a dita câmara sendo suprida com ar comprimido a partir de um compressor por um difusor, a direção de saída do qual é deslocada radialmente a partir do eixo mediano da câmara de combustão, sendo que a dita parede de fundo de câmara compreende perfurações de suprimento de ar de resfriamento que são inclinadas em relação à direção normal para a dita parede de fundo de câmara. É caracterizada pelo fato de que o número de perfurações em que a orientação radial das quais é direcionada na direção oposta da saída do dito difusor é maior que o número de perfurações em que a orientação radial das quais é direcionada em direção à saída do dito difusor.

[0011] O suprimento de ar melhor para a parte oposta da parte de saída de difusor, por causa do número maior de furos orientados nessa direção, torna possível compensar a vazão de ar menor que recebe como um resultado do posicionamento do difusor. É, dessa forma, possível resfriar a parede de fundo de câmara suficientemente de modo que o encaixe de um defletor para proteger a mesma da radiação térmica possa ser dispensado.

[0012] De preferência, todas as perfurações são orientadas radialmente na direção oposta da saída do dito difusor. Essa configuração corresponde ao resfriamento ideal da parte da parede de fundo de câmara situada para longe da saída do difusor.

[0013] Vantajosamente, as perfurações são inclinadas por um ângulo maior que 60° com respeito à direção normal para a parede de fundo de câmara em pelo menos parte da dita parede de fundo de câmara. O ângulo muito íngreme da inclinação dada para as perfurações torna possível evitar esse ar que interfere com o ar destinado à combustão na zona primária ou que interrompe a configuração da riqueza em termos da combustão do combustível.

[0014] Em uma modalidade, a dita parte da parede de fundo de câmara é situada radialmente no mesmo lado que a saída do difusor. O ar de resfriamento que vem do lado em que o difusor está situado tem que percorrer um trajeto mais longo que o ar das outras perfurações e é desejável que, na saída, adira tão estreitamente quanto possível à parede de fundo de câmara.

[0015] Em uma modalidade particular, as perfurações têm o mesmo corte em transversal e a densidade das ditas perfurações diminui radialmente a partir do lado em que a saída do difusor está situada para sua linha mediana.

[0016] Em outra modalidade, as perfurações têm o mesmo corte em transversal e a densidade das ditas perfurações aumenta radialmente a partir da sua linha mediana para o lado oposto da saída do difusor.

[0017] Essas modalidades tornam possível levar em consideração o fato de que o ar que sai dos sistemas de injeção desempenha um papel no resfriamento da zona mediana da parede de fundo de câmara e que é possível reduzir a vazão de ar de resfriamento das perfurações consequentemente.

[0018] Vantajosamente, a parede de fundo de câmara é exposta diretamente à radiação térmica da zona de combustão primária. Não há, portanto, qualquer necessidade de um defletor, por causa do resfriamento eficaz fornecido pela orientação adequada das perfurações.

[0019] Em uma modalidade particular, as perfurações são predominantemente situadas na parte interna de sua parede de fundo de câmara. Essa configuração corresponde ao uso da invenção no caso de turbomáquinas com um compressor centrífugo e com um difusor situado no lado externo da dita câmara de combustão.

[0020] A invenção também reivindica uma turbomáquina equipada com uma câmara de combustão conforme descrita aqui anteriormente.

[0021] A invenção será mais bem entendida e outros objetivos, detalhes, características e vantagens da mesma se tornarão mais claramente aparentes, durante a seguinte descrição explicativa detalhada de uma modalidade da invenção que é dada somente por meio de exemplo ilustrativo e não limitante com referência aos desenhos esquemáticos anexos.

Nesses desenhos:

[0022] - a Figura 1 é uma vista em corte em transversal da câmara de combustão de uma turbomáquina, situada a jusante de um compressor centrífugo;

[0023] - a Figura 2 é uma vista de um defletor representativo de um setor de parede de fundo de câmara perfurado de acordo com uma modalidade da invenção;

[0024] - a Figura 3 é um diagrama que mostra a densidade das perfurações em uma parede de fundo de câmara de acordo com a invenção, como uma função do raio em que as mesmas estão localizadas.

[0025] A referência é feita à Figura 1 que mostra a parte central de uma turbomáquina, contida entre o último compressor e o módulo de turbina. Compreende principalmente uma câmara de combustão 1 que é contida dentro de uma carcaça 2 do motor e é suprida com ar por um difusor 3 posicionado na saída do compressor e com combustível por injetores 4 distribuídos uniformemente sobre a circunferência do motor. Também, no modo convencional, compreende dispositivos de ignição 5 da mistura de ar- combustível, havendo um ou vários destes, igualmente distribuídos sobre a circunferência da câmara de combustão 1.

[0026] O difusor 3 retratado é em formato de L, isso sendo o formato geralmente adotado no caso de compressores centrífugos e recebendo ar orientado radialmente que sai do rotor impulsor do compressor e endireitando o mesmo para ejetá-lo na zona que cerca a câmara 1, em uma direção sensivelmente axial. A saída do difusor 3 é realizada na parede da carcaça externa 2, tangencialmente com respeito a essa carcaça. O ar do compressor, então se espalha na zona que cerca a câmara de combustão 1, então, entra na última para se misturar com o combustível suprido pelos injetores 4. Por causa da configuração em formato de L descrita, o ar que sai do difusor 3 é injetado em uma direção que é descentrada em relação ao eixo 10 da câmara de combustão 1. Essa câmara de combustão não é, portando, suprida uniformemente em volta de sua periferia e há diferenças na vazão de ar existente entre a parede externa e a parede interna da câmara. A invenção é descrita aqui em termos de um compressor centrífugo e um retificador em formato de L, mas poderia com a mesma facilidade ser empregado em qualquer turbomáquina em que a direção de saída do difusor 3 não é ao longo do eixo 10 da câmara de combustão.

[0027] A câmara de combustão 1 tem um formato anular que em corte em transversal exibe uma parede externa 11 e uma parede interna 12, essas duas paredes estão situadas coaxialmente ao longo do eixo longitudinal 10 da câmara. As mesmas são conectadas na extremidade a montante por uma parede transversal a esse eixo longitudinal 10 e comumente conhecida como a parede de fundo de câmara 13. A parede de fundo de câmara 13 é perfurada, em seu eixo longitudinal 10 com um orifício ao qual é encaixado um sistema de suprimento de ar carburado. Tal sistema que é suprido com combustível líquido pelo injetor 4 compreende grelhas anulares concêntricas para criar fluxos de ar em redemoinho que encorajam sua mistura com a folha de combustível pulverizado.

[0028] Finalmente, ao sair da câmara de combustão 1, os gases passam convencionalmente através de um bocal de turbina 6 antes de passar através das lâminas da turbina onde os mesmos abandonam um pouco da energia que os mesmos adquiriram.

[0029] A Figura 1 também mostra um defletor 14, a câmara 1 a este respeito sendo retratada em uma configuração da técnica antecedente.

[0030] O ar do compressor centrífugo passa no defletor 3 onde é redirecionado na direção axial 10 do motor, então, se divide em diversos fluxos que servem ou para alimentar a combustão do combustível na zona primária da câmara 1, por meio de sistemas de injeção e furos primários 15 ou para resfriar as paredes 11 e 12, portanto, e alcançam a zona de diluição, por meio dos furos de diluição 16 e perfurações de parede 17 ou ainda, alternativamente, resfriar outras partes do motor situado a jusante da câmara de combustão.

[0031] A referência será feita agora à Figura 2 que mostra um método para resfriar uma parede de fundo de câmara 13 de acordo com a invenção. A parede de fundo de câmara 13 é, dessa forma, perfurada, com uma grande quantidade de furos de diâmetro pequeno 18 que são dispostos em linhas 19 que correm em círculos e concêntricos com o eixo 10 da câmara de combustão 1. Esses furos são furos tipicamente cilíndricos em que o diâmetro dos quais é da ordem de 0,5 ou 0,6 mm e os mesmos são orientados de tal modo que o fluxo de resfriamento que sai dessas perfurações 18 permaneça o tanto quanto possível em contato com a parede de fundo de câmara 13 e, dessa forma, não altere a riqueza da mistura do combustível e ar que chega à zona de combustão primária. Por essa razão, as perfurações 18 na parede de fundo de câmara são orientadas de tal maneira que seu eixo no ponto em questão esteja a 60° para o normal para a parede de fundo de câmara. Diferente da técnica antecedente descrita no pedido anterior da empresa requerente, a orientação dessas perfurações não necessariamente altera entre as linhas 19 situadas na região do sistema de injeção e aquelas situadas nos raios extremo, externo e interno da parede de fundo de câmara 13.

[0032] Em contraste, a invenção reivindica a variabilidade na densidade das perfurações 18 (calculada como sendo o número de furos sobre uma área de superfície dada) entre os raios situados em direção ao lado externo e aqueles situados em direção ao lado interno dessa parede de fundo de câmara 13. As partes mais quentes, isto é, aquelas menos expostas ao ar do difusor 3, são fornecidas com furos em uma densidade maior que aquelas que são relativamente bem posicionadas nesse fluxo de ar. No cenário retratado em que o difusor 3 é situado na periferia externa da zona que cerca a câmara, as partes externas da parede de fundo de câmara têm uma densidade de perfurações que é menor que a de suas partes internas.

[0033] A Figura 3 mostra como a densidade das perfurações 18 evolve através da parede de fundo de câmara como uma função da distância radial do ponto em questão. Pode ser notado que a densidade na parte externa é menor que essa na parte interna, que corresponde ao fato de que o ar do difusor 3 se espalha de modo desigual entre a parte superior e a parte inferior e que essa diferença de vazão tem que ser compensada tendo-se uma densidade de perfuração mais alta 18 na parte inferior. Em contraste, pode ser visto que na linha mediana 20 a densidade é menor que nas partes externa e interna, a razão para isso sendo a melhor eficácia de resfriamento das linhas centrais, que não são atrapalhadas pelo efeito de corte que o filme que está no processo de ser formado tem nos jatos que colidem na parede de fundo de câmara. Não há, portanto, nenhuma necessidade de injetar a mesma vazão nessa linha 20 que nas linhas extremas que não aproveitam esse efeito benéfico particular. O gerenciamento correto do ar do difusor e, portanto, a eficácia da câmara de combustão, implica injetar através das perfurações 18 somente a quantidade de vazão que é estritamente necessária para obter uma temperatura que é uniforme com os outros pontos na parede de fundo 13 da câmara 1.

[0034] A reivindicação também reivindica uma direção uniforme para as inclinações das perfurações 18, o ar que sai dessas sendo todo direcionado, se essas perfurações são situadas na parte externa ou na parte interna, a partir da parte externa em direção à parte interna de modo a fornecer um resfriamento melhor dessa parte de fundo da câmara que é menos bem suprida com o ar do difusor 3. Tendo em conta o comprimento que o fluxo ar de resfriamento tem que percorrer ao longo da parede de fundo de câmara 13, especialmente no caso das perfurações 18 situadas no lado externo, é absolutamente essencial que as perfurações sejam inclinadas acentuadamente, se possível por mais que 60° descrito no pedido anterior. O trabalho que ainda está em andamento de fato demonstra a possibilidade experimental de exceder esse limite de 60°. A inclinação possível máxima compatível com as considerações técnicas e econômicas serão, portanto, contempladas. O objetivo de uma inclinação acentuada é resfriar o metal da parede de fundo de câmara 13 assim como possível e também para garantir que esse ar não interfira com o ar destinado á combustão e não atrapalhe a riqueza da mistura na zona de combustão primária.

[0035] Os benefícios a serem tidos por essa técnica nova para resfriar a parede de fundo de câmara são estimados em uma metade da vazão de ar de resfriamento. Esses benefícios podem ser essencialmente explicados através da redução na quantidade de massa que tem que ser resfriada, tal redução é trazida dispersando-se o defletor. Os benefícios de vazão adicionais são também obtidos aumentando-se a permeabilidade do sistema de injeção graças à omissão da parede formada pelo defletor e aumentando-se a eficácia do resfriamento da parede de fundo de câmara 13.

[0036] A invenção foi descrita em conjunto com um difusor 3, o eixo de saída do qual é situado próximo à carcaça externa 2 do motor. Obviamente, a invenção pode também ser empregada com um difusor que ejeta ar no lado da parede interna 12 da câmara de combustão 1. Nesse caso, as perfurações 18 serão inclinadas na direção da parede externa 11 da câmara 1 a fim de compensar o fato de que essa parede não é tão bem suprida com ar do difusor.

Claims

Câmara de combustão anular para uma turbomáquina que compreende uma parede externa (11) e uma parede interna (12) que são orientadas sensivelmente axialmente em relação ao eixo de rotação da turbomáquina e que é fechada na extremidade a montante por uma parede de fundo de câmara (13) orientada sensivelmente radialmente, a dita câmara de combustão anular (1) é suprida com ar comprimido a partir de um compressor por um difusor (3) cuja direção de saída é deslocada radialmente a partir do eixo mediano (10) da câmara de combustão (1), sendo que a dita parede de fundo de câmara comporta perfurações de suprimento de ar de resfriamento (18) que são inclinadas em relação à direção normal para a dita parede de fundo de câmara anular (13),
caracterizada pelo fato de que entre ditas perfurações de suprimento de ar de resfriamento (18),há mais perfurações cuja orientação radial é direcionada na direção oposta em relação à direção radial da saída do dito difusor do que perfurações cuja orientação radial é direcionada voltada para a direção radial da saída do dito difusor.
Câmara de combustão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que todas as perfurações (18) tem uma orientação radial direcionada na direção oposta em relação à direção radial da saída do dito difusor (3).
Câmara de combustão, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que as perfurações (18) são inclinadas por um ângulo maior que, ou igual a 60° em relação à direção normal para a parede de fundo de câmara (13) em pelo menos parte da dita parede de fundo de câmara.
Câmara de combustão, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que a dita parte da parede de fundo de câmara é situada radialmente no mesmo lado que a saída do difusor (3).
Câmara de combustão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que as perfurações (18) têm o mesmo corte transversal e em que a densidade das ditas perfurações diminui radialmente a partir do lado em que a saída do difusor (3) está situada para sua linha mediana (20).
Câmara de combustão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que as perfurações (18) têm o mesmo corte transversal e em que a densidade das ditas perfurações aumenta radialmente a partir de sua linha mediana (20) para o lado oposto em relação à saída do difusor (3).
Câmara de combustão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que a parede de fundo de câmara (13) é exposta diretamente à radiação térmica da zona de combustão primária.
Câmara de combustão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que deve ser instalada em uma turbomáquina com um compressor centrífugo e com um difusor (3) situado no lado externo da dita câmara de combustão (1), em que as partes externas da parede de fundo de câmara (13) têm uma densidade de perfurações (18) que é inferior a das partes internas da dita parede de fundo de câmara (13).
Turbomáquina caracterizada pelo fato de que é equipada com uma câmara de combustão como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.