BR112012024519B1 - compressor compreendendo pelo menos uma grade de pás fixa e motor, em particular turborreator de aeronave, dotado de pelo menos um compressor e de um sistema de extração de ar - Google Patents

Abstract

COMPRESSOR DE MOTOR, EM PARTICULAR DE TURBORREATOR DE AERONAVE, DOTADO DE UM SISTEMA DE EXTRAÇÃO DE AR. A presente invenção é relativa a um compressor (1) que compreende, no mínimo, uma cortina palheta fixa (2) cujas palhetas (3) são montadas sobre uma parede (4) e formam entre elas passagens (5) de escoamento de ar, e um sistema de extração de ar que extrai o ar ao nível das passagens (5) entre duas palhetas (3), através de aberturas (6) praticadas na dita parede (4), as ditas aberturas (6) sendo descontínuas e dotada, cada uma, de uma pluralidade de orifícios (01,02,03,04) arranjados uns atrás dos outros no sentido (E) de escoamento de ar. Ela é caracterizada pelo fato que o orifício de montante (01) de cada abertura (6) apresenta uma seção de superfície mais importante que as superfícies das seções de orifícios de jusante (02,03,04) da abertura (6) e por o número e a seção de orifícios de jusante (02,03,04) ser ajustadas em função de uma vazão de aspiração predeterminada.

Description

[0001] A presente invenção é relativa ao domínio de compressores de motor e, notadamente de turborreator de aeronave, que compreende um sistema de extração de ar.

[0002] Sabe-se que o sistema de compressão de um turborreator (e o compressor de alta pressão em particular) é um dos componentes dos mais críticos do motor. O compressor de um turborreator é composto de diversos estágios sucessivos de compressão, cada estágio sendo composto de uma grade de pás móvel (rotor) e de uma grade de pás fixa (estator).

[0003] Quando da passagem em uma grade de pás fixa, o ar sofre um desvio que gera uma perda de velocidade e um aumento da pressão. Nestas condições, perdas aerodinâmicas por atritos, chamadas igualmente perdas por difusão, se produzem. Estas perdas têm como efeito degradar os desempenhos do compressor. Na proximidade das paredes da veia do escoamento de ar estas perdas se combinam com as perdas por atrito ao longo das paredes, e formam escoamentos 3D que geram perdas suplementares elevadas.

[0004] Além disto, sabe-se que no caso de um turborreator de aeronave, ar em alta pressão é genericamente extraído no seio do compressor de alta pressão, principalmente para as necessidades de refrigeração ou de operação de diversos sistemas do reator ou da aeronave.

[0005] Por meio da Patente FR 2 166 494, se conhece uma instalação de grades de pás que tem pelo menos uma grade de pás fixa ou móvel atravessada por um escoamento de fluido, e constituída por uma sucessão de pás carregadas por pelo menos uma parede lateral. Cada passagem definida por duas pás sucessivas e a parede lateral tem, pelo menos, uma abertura de aspiração localizada, arranjada nesta parede lateral e ligada a meios de aspiração arranjados para que a pressão ao nível das aberturas de aspiração seja da mesma ordem de grandeza que a pressão estática do escoamento local na passagem considerada. Além disto, esta patente FR 2 166 494 prevê uma parede perfurada, colocada em uma abertura de aspiração de forma alongada, arranjada adiante de uma passagem entre duas pás fixas sucessivas em uma parede do cárter do compressor, que serve para limitar a vazão de aspiração.

[0006] Em virtude de uma seção de passagem importante para obter uma aspiração suficiente, uma tal abertura de aspiração apresenta, genericamente, dimensões importantes em relação àquelas do canal entre a duas pás. Também, uma vez que os gradientes de pressão são elevados neste canal, recirculações ou ejeções locais de fluido se produzem. Estas recirculações que prejudicam (são parasitas à) a aspiração interferem com a veia de ar e reduzem os ganhos do sistema de extração. Este sistema de extração não é, pois, otimizado, assim como o motor correspondente.

[0007] Além disto, por meio do documento GB 2.407.142 é conhecido um compressor que extrai o ar no nível das passagens entre duas pás, através de aberturas praticadas em uma parede, que são descontínuas.

[0008] O requerente fixou-se como objetivo prever um compressor que permite limitar a degradação de desempenho associada a perdas nas zonas de parede das pás fixas.

[0009] De acordo com a invenção, o compressor compreende, pelo menos, uma grade de pás fixa cujas pás são montadas sobre uma parede e formam entre elas passagens de escoamento de ar, e um sistema de extração de ar que extrai o ar no nível de passagens entre duas pás através de aberturas praticadas na dita parede, as ditas aberturas sendo descontínuas e dotadas, cada uma, de uma pluralidade de orifícios arranjados uns atrás dos outros no sentido de escoamento de ar, e caracterizada pelo fato de o orifício à montante de cada abertura apresentar uma seção de superfície maior que as superfícies das seções dos orifícios à jusante da abertura e por o número e a seção de orifícios à jusante serem ajustados em função de uma vazão de aspiração predeterminada.

[0010] A solução proposta pela presente invenção consiste, pois, em extrair o ar no nível das passagens entre duas pás, por intermédio de uma pluralidade de orifícios arranjados uns atrás dos outros no sentido de escoamento de ar no lugar e colocação de um orifício único. A repartição da aspiração sobre diversos orifícios permite esperar de maneira eficaz no nível de cada uma das extrações (sem inversão de sentido do ar), sempre impedindo a recirculação que se produziria em um orifício de extração (ou de aspiração) único de grande dimensão.

[0011] A presente invenção permite, pois, limitar a degradação do desempenho do compressor associada às perdas nas zonas de parede de pás fixas por meio de uma extração de ar com pequena quantidade de movimento, implantada de maneira judiciosa.

[0012] Além disto, esta solução permite extrair a mesma vazão (que seria, por exemplo, reutilizada no seio do motor, ou encaminhada para a aeronave) do que um orifício único, sempre assegurando uma redução das perdas secundárias na grade de pás.

[0013] Além disto, o orifício a montante de cada abertura que tem como função prevenir o descolamento (por uma aspiração situada à montante, que permite suprimir, ou pelo menos retardar, a aparição de um descolamento), apresenta uma seção de superfície maior que as superfícies das seções dos orifícios à jusante da abertura. Além disto, de maneira preferencial, este orifício a montante é centralizado em relação a uma posição que é situada lateralmente na proximidade do extradorso (“extrados”) de uma pá e axialmente entre 10% e 30% do comprimento axial da pá a partir de sua extremidade a montante.

[0014] Além disto, os orifícios à jusante de uma abertura têm como função reduzir a intensidade do descolamento uma vez surgido, extraindo fluido com baixa energia.

[0015] A aspiração assim tornada discreta em diversos orifícios e implantada de acordo com certos critérios precisos de forma vantajosa aqui abaixo, permite, pois, o controle dos descolamentos na grade de pás.

[0016] Além disto, será observado que o documento GB 2.407.142, citado anteriormente, além de prever orifícios sucessivos no sentido de escoamento de ar, não registra notadamente as características diferentes de acordo com a invenção entre o orifício o a montante (de superfície maior) e os orifícios à jusante (cujo número e o tamanho são ajustáveis) para obter as funções citadas anteriormente (prevenção do descolamento, redução de intensidade).

[0017] De acordo com uma característica da invenção, o número e as superfícies dos orifícios de uma abertura dependem de uma vazão de aspiração predeterminada produzida pelo dito sistema de extração de ar. Além disto, de preferência, o número N de orifícios de uma abertura verifica a relação a seguir: Δβ.(S/C)/(N.D)<300 na qual - Δβ representa o desvio do fluido na passagem da grade de pás; - S/C representa o passo relativo da grade de pás; e - D representa a dita vazão de aspiração predeterminada.

[0018] No quadro da presente invenção os orifícios de uma abertura de extração de ar são, pois, distintos entre eles, em termos de função e de geometria. Além disto, para melhorar a aspiração o orifício a montante de pelo menos certas das ditas aberturas apresenta através da parede uma forma inclinada para jusante e/ou uma forma perfilada.

[0019] O ar que é extraído sobre o compressor é em seguida reinjetado, de maneira usual, em um coletor para resfriar ou ventilar o sistema motor ou alimentar o sistema de ar da aeronave fornecido ao dito motor. As características do sistema de extração de ar dependem da arquitetura e das especificações gerais do motor.

[0020] Além disto, a presente invenção é relativa igualmente a um motor, notadamente um turborreator de aeronave, que tem pelo menos um compressor tal como citado anteriormente.

[0021] Outras características e vantagens apareceram na leitura da descrição que segue, acompanhada dos desenhos em anexo nos quais: - as figuras 1A e 1B representam, de maneira esquemática, uma abertura de extração de ar praticada em uma parede portadora de pás de um compressor, respectivamente de acordo com a técnica anterior e de acordo com a presente invenção; - a figura 2 mostra, de maneira esquemática, características particulares de um modo de realização preferido da invenção; e - a figura 3 mostra, de maneira esquemática, uma realização particular de um orifício à montante de uma abertura de extração de ar.

[0022] A presente invenção se aplica a um compressor 1 de um motor, notadamente de um turborreator de aeronave, que é dotado de um sistema de extração de ar.

[0023] Sabe-se que um compressor de um turborreator é composto de diversos estágios sucessivos de compressão, cada estágio sendo composto de uma grade de pás móvel (ou rotor) e de uma grade de pás fixa 2 (estator).

[0024] Uma grade de pás fixa 2 (retificador) tem pás 3 que são montadas sobre uma parede 4 e que formam entre elas passagens 5 de escoamento de ar.

[0025] Um compressor 1 tal como considerado na presente invenção tem, além disto, um sistema de extração de ar usual (não representado) que extrai o ar no nível das passagem 5 entre duas pás 3 através de aberturas 6 praticadas na dita parede 4. Em um modo de realização preferido, uma abertura 6 é prevista em cada passagem 5 entre duas pás 3 sucessivas.

[0026] A figura 1 mostra, de maneira esquemática, uma abertura 6A destinada à extração de ar que é de acordo com a técnica precedente. Esta abertura 6A compreende um orifício um único OA. Este orifício único OA apresenta uma seção de passagem importante, de maneira que suas dimensões são importantes em relação àquelas do canal formado pelas duas pás 3 entre as quais ele é previsto. Em virtude destas características, aparecem recirculações ou ejeções locais de fluido que prejudicam a aspiração e reduzem os ganhos do sistema de extração de ar e os desempenhos do motor.

[0027] Para remediar este inconveniente, o compressor 1 de acordo com a invenção, tem aberturas 6 destinadas à extração de ar, que são descontínuas e dotadas, cada uma, de uma pluralidade de orifícios 01, 02, ON arranjados uns atrás dos outros no sentido E de escoamento de ar, extradorso ao longo de uma pá 3 como representado na figura 1B (para a qual N é igual a 4).

[0028] A repartição da aspiração sobre diversos orifícios 01 até ON (em lugar e colocação de um orifício único OA) permite realizar uma aspiração eficaz no nível de cada uma das extrações (sem inversão de sentido do ar) sempre impedindo uma recirculação que se produz em um orifício de extração único AO de grande dimensão.

[0029] A presente invenção permite, pois, limitar a degradação de desempenho do compressor 1 associada a perdas nas zonas de parede das pás 3 de uma grade de pás fixa 2 por meio de uma extração de ar de pequena quantidade de movimento, implantada de maneira judiciosa.

[0030] Além disto, esta solução permite extrair a mesma vazão (que será, por exemplo, reutilizada no seio do motor ou encaminhada para a aeronave, no caso de um motor de aeronave) do que um orifício único OA sempre assegurando uma redução de perdas secundárias na grade de pás 2.

[0031] Por outro lado, o orifício a montante 01 de cada abertura 6 no sentido E de escoamento de ar, tem como função prevenir o descolamento por meio de uma aspiração situada à montante, permitindo suprimir ou pelo menos retardar a aparição do descolamento, e os outros orifícios 02 até ON da abertura 6, ditos orifícios a jusante têm como função reduzir a intensidade do descolamento, uma vez surgido, extraindo fluido em baixa energia ao longo do perfil.

[0032] Para isto, o orifício a montante 01 de cada abertura 6 apresenta, de preferência, uma seção de superfície maior que as superfícies das seções dos orifícios a jusante 02 até ON da abertura 6, como representado na figura 2.

[0033] Além disto, de maneira preferencial, este orifício a montante 01 é centralizado em relação a uma posição que é situada lateralmente na proximidade do lado externo de uma pá 3, e axialmente (quer dizer, de acordo com o eixo do compressor 1) entre 10% e 30% da corda axial de maneira a aspirar pontos singulares do escoamento (ditos focos do descolamento). Este orifício a montante 01 tem como função permitir a aspiração da parte do escoamento que está na origem do escoamento que está na origem do descolamento que se produza à jusante (foco). Por estas razões este orifício a montante 01 apresenta características próprias (posição paralisada à montante) seção superior aos orifícios a jusante 02 até ON, e tomada de ar perfilada, como explicitado aqui abaixo.

[0034] A vazão a assegurar é genericamente da ordem de alguns por cento de acordo com as especificações do motor e a função de ventilação assegurada pelo ar aspirado. A título de ilustração pode-se prever 1% para assegurar uma aspiração de eficácia mínima, e até 5 a 6% por uma extração máxima sobre o compressor 5. O número e a seção dos orifícios a jusante 02 até ON são ajustados em função da vazão requerida pelas funções do motor como explicitado aqui abaixo.

[0035] A forma e a disposição dos orifícios 01, 02, ...ON do extradorso ao longo de uma pá 3, assim como o respeito de critérios de discretização são necessárias para garantir a eficácia plena da presente invenção, que tem por objetivo uma redução das perdas aerodinâmicas suplementares da mesma ordem de grandeza que a redução de perda trazida por uma fenda de aspiração contínua equivalente.

[0036] Os orifícios 01, 02, ...ON podem apresentar seções de diversas formas, em particular, de forma circular, retangular ou quadrada. No exemplo da figura 2, para orifícios de seção retangular:

[0037] - si representa a largura do orifício de ordem i; e

[0038] - ci representa o comprimento do orifício de ordem i.

[0039] Por outro lado, no caso de seção circular si = ci = ri, ri representando o raio do orifício de ordem i.

[0040] De acordo com uma característica, o número N e as superfícies dos orifícios 01, 02, ...ON de uma abertura 6 dependem de uma vazão de aspiração predeterminada. Além disto, o dito número N verifica, de preferência, a relação a seguir: Δβ.(S/C)/(N.D)<300 na qual

[0041] - Δβ representa o desvio do fluido na passagem da grade de pás 2,

[0042] Δβ=β2-β1, β1 e β2 sendo os ângulos entre, por um lado, o eixo do compressor 1 e, por outro lado, a direção geral de escoamento do fluido, respectivamente, no nível da extremidade a montante 3A e a extremidade a jusante da pá 3, como representado na figura 2;

[0043] - S/C representa o passo relativo da grade de pás 2, S sendo o afastamento entre duas pás 3 sucessivas e C sendo a corda de uma pá 3; e

[0044] - D representa a dita vazão de aspiração predeterminada, genericamente entre 1 % e 5%.

[0045] Além disto, em um modo de realização particular, para evitar ou reduzir as perturbações com o objetivo de melhorar a aspiração, um orifício a montante 01 das aberturas 6 apresenta através da parede 4 uma forma inclinada para jusante ou uma forma perfilada 7 (igualmente inclinada para jusante no sentido E de escoamento do ar) tal como representada na figura 3, F ilustrando o fluxo de ar aspirado.

[0046] O ar extraído no compressor 1 é em seguida reinjetado de maneira usual em um coletor (não representado) para refrescar ou ventilar o sistema motor, ou alimentar o sistema de ar da aeronave dotada do dito motor. As características do sistema de extração de ar dependem da arquitetura e das especificações gerais do motor.

[0047] A presente invenção pode ser implantada ao cárter ou ao cubo, eventualmente em supressão de um estágio de regulagem variável. Ela é aplicável a todo tipo de compressor (de baixa pressão, de alta pressão, civil, militar), e a todo tipo de arquitetura global (turborreator, turbopropulsor, contra-rotativo, ventilador sem carenagem chamado “rotor aberto”).

Claims (7)

1. Compressor compreendendo pelo menos uma grade de pás fixa (2) cujas pás (3) são montadas sobre uma parede (4) e formam entre elas passagens (5) de escoamento de ar, e um sistema de extração de ar que extrai ar no nível das passagens (5) entre duas pás (3), através das aberturas (6) praticadas na dita parede (4), as ditas aberturas (6) sendo descontínuas e dotadas, cada uma, de uma pluralidade de orifícios (01, 02, 03, 04) arranjados uns atrás dos outros no sentido (E) de escoamento do ar, caracterizado pelo fato de que o orifício a montante (01) de cada abertura (6) apresenta uma seção de superfície maior que as superfícies das seções dos orifícios a jusante (02, 03, 04) da abertura (6), e o número e a seção dos orifícios a jusante (02, 03, 04) sendo ajustados em função de uma vazão de aspiração predeterminada.

2. Compressor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o orifício a montante (01) de cada abertura (6) é centralizado em relação a uma posição que está situada lateralmente na proximidade do extradorso de uma pá (3), e axialmente entre 10% e 30% do comprimento axial da pá (3) a partir de sua extremidade a montante (3A).

3. Compressor, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o número e as superfícies dos orifícios (01, 02, 03, 04) de uma abertura (6) dependem de uma vazão de aspiração predeterminada, produzida pelo dito sistema de extração de ar.

4. Compressor, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o número N dos orifícios (01, 02, 03, 04) de uma abertura (6) verifica a relação a seguir: Δβ.(S/C)/(N.D)<300 na qual: - Δβ representa o desvio do fluido na passagem da grade de pás (2); - S/C representa o passo relativo da grade de pás (2), S sendo o afastamento entre duas pás (3) sucessivas e C sendo a corda de uma pá (3); e - D representa a dita vazão de aspiração predeterminada.

5. Compressor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizadopelo fato de que o orifício a montante (01) de pelo menos algumas das ditas aberturas (6) apresenta, através da parede, uma forma inclinada para a jusante.

6. Compressor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizadopelo fato de que o orifício a montante (01) de pelo menos algumas das ditas aberturas (6) apresenta, através da parede (4), uma forma perfilada (7).

7. Motor, em particular turborreator de aeronave, dotado de pelo menos um compressor e de um sistema de extração de ar, caracterizadopelo fato de que compreende um compressor (1) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.

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