BR112013021367B1 - parede anular para câmara de combustão de turbomáquina, câmara anular de combustão de turbomáquina e turbomáquina - Google Patents

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Abstract

CÂMARA ANULAR DE COMBUSTÃO DE TURBOMÁQUINA, COMPREENDENDO ORIFÍCIOS DE DILUIÇÃO MELHORADOS. A presente invenção refere-se a parede anular para câmara de combustão de turbomáquina, compreendendo uma fileira anular de orifícios de diluição compreendendo orifícios (40) de maior superfície em seção e orificios (62) de menor superfície, assim como uma multiperfuração formada de microperfurações (46) repartidas em uma fileira a montante (48), uma fileira a jusante (50) e pelo menos uma fileira intercalar (52) interrompida por esses orifícios, uma relação geométrica sendo definida como o quociente da divisão do afastamento máximo L entre dois pontos quaisquer da borda desse orifício segundo uma direção paralela a um eixo dessa parede por afastamento máximo L entre dois pontos quaisquer da borda desse orifício medido segundo uma direção perpendicular a esse eixo, essa relação geométrica desses orifícios de maior superfície sendo superior ou igual a 1, e essa relação geométrica desses orifícios de menor superfície sendo superior àquela desses orifícios de maior superfície

Description

PAREDE ANULAR PARA CÂMARA DE COMBUSTÃO DE TURBOMÁQUINA, CÂMARA ANULAR DE COMBUSTÃO DE TURBOMÁQUINA E TURBOMÁQUINA DOMÍNIO TÉCNICO
[001] A presente invenção refere-se a domínio das câmaras anulares de combustão das turbomáquinas, tais como aquelas que equipam as aeronaves.
[002] Refere-se mais particularmente os orifícios de entrada de ar de diluição misturados nas paredes coaxiais dessas câmaras de combustão.
ESTADO DA TÉCNICA ANTERIOR
[003] As turbomáquinas compreendem pelo menos uma turbina disposta na saída de uma câmara de combustão para extrair a energia de um fluxo primário de gás ejetado por essa câmara de combustão e acionar um compressor disposto a montante da câmara de combustão e alimentando essa câmara com ar sobpressão.
[004] A figura 1 anexada representa um exemplo típico de câmara de combustão 10 de turbomáquina, compreendendo duas paredes anulares coaxiais, respectivamente, radialmente interna 12 e radial-mente externa 14, que se estendem de cima para baixo, segundo o sentido 16 de escoamento do fluxo primário de gás na turbomáquina, em torno do eixo 18 da câmara de combustão, e que são ligadas entre si em sua extremidade a montante por uma parede anular de fundo da câmara que se estende sensivelmente radialmente em torno do eixo 18 pré-citado. Essa parede anular de fundo de câmara 20 é equipada com sistemas de injeção 22 repartidos em torno desse eixo para permitir um fornecimento de ar e de carburante na câmara de combustão.
[005] De maneira geral, as câmaras de combustão se decom-põem em uma região interna a montante 24, comumente denominada zona primária, e uma região interna a jusante 26, comumente denomi-nada zona de diluição.
[006] A zona primária 24 de uma câmara de combustão é previsto para a combustão da mistura de ar e de carburante e é alimentada com ar não somente pelos sistemas de injeção 22, mas também por orifícios de entrada de ar 28, comumente denominados orifícios primários, abertos nas paredes coaxiais 12 e 14 da câmara em torno da zona primária 24 desta, de acordo com uma ou várias fileiras anulares.
[007] A zona de diluição 26 é prevista para a diluição e o resfriamento dos gases oriundos da combustão na zona primária, e para conferir ao fluxo desses gases um perfil térmico ótimo, visando sua passagem na turbina montada a jusante da câmara de combustão. Para isto, as paredes coaxiais 12 e 14 da câmara de combustão comportam a jusante dos orifícios primários 28 pré-citados, pelo menos uma fileira de orifícios de entrada de ar 30, comumente denominados orifícios de diluição.
[008] Em funcionamento, uma parte 32 de um fluxo de ar 34, proveniente de uma saída de compressor 36 alimenta o sistema de injeção 22, enquanto que uma outra parte 38 desse fluxo de ar contorna a câmara de combustão, escoando para baixo ao longo das paredes coaxiais 12 e 14 dessa câmara e permite mostrar a alimentação dos orifícios primários 28 e de diluição 30.
[009] Conforme ilustra a figura 2 anexada que mostra uma vista desenvolvida em plano de uma parte 31 de parede anular de câmara de combustão, compreendendo uma fileira anular de orifícios de dilui-ção 30 de seção circular, estes compreendem habitualmente os orifícios 40 de maior superfície em seção e os orifícios 42 de menor superfície em seção.
[0010] Os orifícios de diluição 40 de maior superfície são, por exemplo, centrados, cada um, em relação ao eixo 44 (figura 1) de um sistema de injeção 22 correspondente, enquanto que os orifícios de diluição 42 de menor superfície em seção são intercalados entre os orifícios 40 de maior superfície e são, por exemplo, 3 vezes mais numerosos do que estes (figura 2).
[0011] Em geral, é necessário resfriar as paredes anulares coaxiais 12, 14 das câmaras de combustão, considerando-se temperaturas elevadas atingidas pelos gases no decorrer da combustão.
[0012] Para isso, a multiperfuração é uma técnica conhecida que reside na formação de uma pluralidade de microperfurações 46 (figura 2), isto é, pequenos orifícios de aproximadamente 0,6 mm de diâmetro, habitualmente de eixo inclinado, em certas regiões das paredes coaxiais 12, 14 das câmaras de combustão. Uma parte do fluxo de ar 38 relativamente fresco, contornando essas câmaras de combustão pode aí penetrar por essas microperfurações e constituir uma película de ar de resfriamento ao longo das faces internas das paredes coaxiais 12 e 14 dessas câmaras de combustão.
[0013] Todavia, em funcionamento, as paredes coaxiais 12, 14 das câmaras de combustão se dilatam termicamente e são submetidas a importantes vibrações, de natureza a gerar esforços elevados, capa-zes de provocar o aparecimento de fissuras ou trincas, notadamente no nível das bordas dos orifícios de diluição 30.
[0014] Para limitar os riscos de aparecimento e de extensão dessas fissuras, é, em geral, previsto um afastamento mínimo entre os orifícios de diluição 30, assim como um perímetro de microperfurações em torno de cada um desses orifícios.
[0015] Além disso, as microperfurações 46 sendo habitualmente dispostas em fileiras homogêneas regularmente espaçadas, segundo a direção axial, é também previsto um espaçamento axial mínimo en-tre essas fileiras de microperfurações 46.
[0016] Todavia, o respeito por esse perímetro desprovido de mi-croperfurações, em torno dos orifícios de diluições 30, não permite um resfriamento ótimo de certas zonas do contorno desses orifícios, nota-damente no que se refere aos orifícios de melhor superfície em seção 42 e, em particular, quando as microperfurações 46 são dispostas em fileiras regularmente espaçadas segundo a direção axial.
[0017] Esse problema é ilustrado na figura 2 que mostra duas fileiras anulares de microperfurações 46, respectivamente a montante 48 e a jusante 50, que são formadas respectivamente a montante e a jusante da fileira anular de orifícios de diluição 30, assim como três fileiras intercalares 52 de microperfurações 46 que são dispostas entre as fileiras a montante 48 e a jusante 50 pré-citadas e que são interrompidas pelos orifícios da diluição 30, o afastamento axial, constante entre duas fileiras consecutivas de microperfurações 46, levando a referência d nessa figura.
[0018] Com efeito, o respeito por esse perímetro desprovido de microperfurações induz a existência de zonas relativamente de exten-são desprovidas de microperfurações, no nível de partes a montante 54 e a jusante 56 do contorno de cada orifício de diluição de menor superfície em seção 42, o que corre o risco de se traduzir por um resfriamento insuficiente dessas partes a montante 54 e a jusante 56.
EXPOSIÇÃO DA INVENÇÃO
[0019] A invenção tem notadamente por finalidade melhorar o res-friamento do contorno dos orifícios de diluição de uma câmara de combustão, de maneira simples, econômica, eficaz, e que permite evi-tar pelo menos em parte os inconvenientes pré-citados.
[0020] A invenção propõe para esse efeito uma parede anular para câmara anular de combustão de turbomáquina, compreendendo pelo menos uma fileira anular de orifícios de entrada de ar de diluição, compreendendo orifícios de dois tipos diferenciados pela superfície em seção, dentre os quais orifícios de maior superfície em seção e orifí-cios de menor superfície em seção, assim como uma multiperfuração para o resfriamento dessa parede, essa multiperfuração sendo forma-da de microperfurações que apresentam uma superfície em seção in-ferior àquela de cada um desses orifícios de entrada de ar de diluição e que são repartidos em uma fileira anular a montante e uma fileira anular a jusante formada respectivamente a montante e a jusante dessas fileiras de orifícios de entrada de ar de diluição, e pelo menos uma fileira anular intercalar interrompida por esses orifícios de entrada de ar de diluição, uma relação geométrica sendo definida para cada um dos orifícios de entrada de ar de diluição como o quociente da divisão do afastamento máximo entre dois pontos quaisquer da borda desse orifício medida segundo uma direção paralela a um eixo de revolução da parede por afastamento máximo entre dois pontos quaisquer da borda desse orifício medida segundo uma direção perpendicular a esse eixo.
[0021] De acordo com a invenção:
  • - a relação geométrica pré-citada é superior ou igual a 1, no caso desses orifícios de entrada de ar de diluição, de maior superfície em seção; e
  • - essa relação geométrica, no caso desses orifícios de entrada de ar de diluição de menor superfície em seção, é superior àquela desses orifícios de diluição, de maior superfície em seção.
[0022] A conformação dos orifícios de entrada de ar de diluição de menor superfície em seção permite reaproximar as fileiras a montante e a jusante das microperfurações as partes a montante e a jusante da borda desses orifícios e, portanto, reduzir, até mesmo suprimir, as zonas desprovidas de microperfurações que se encontram nas paredes de tipo conhecido explicado abaixo. Resulta daí uma homogeneização do resfriamento do contorno desses orifícios.
[0023] Além disso, a conformação dos orifícios de entrada de ar de diluição de menor superfície em seção permite manter um afastamento circunferencial suficiente entre o conjunto dos orifícios de diluição, e mesmo aumentar esse afastamento em determinados casos, por exemplo, entre dois orifícios de menor superfície adjacentes ou entre um orifício de pequena superfície e um orifício de maior superfície que lhe é adjacente.
[0024] A manutenção do afastamento circunferencial entre orifícios de diluição adjacentes permite limitar os riscos de aparecimento de fissuras ou fendas no nível da borda desses orifícios.
[0025] Se for o caso, o aumento do afastamento circunferencial entre orifícios de diluição adjacentes permite, além disso, aumentar a extensão circunferencial dos setores angulares das fileiras intercalares de microperfurações abertas entre esses orifícios e, portanto, melhorar o resfriamento oferecido pela multiperfuração.
[0026] Em um modo de realização preferido da invenção, os orifícios de entrada de ar de diluição de maior superfície em seção são de forma circular, e os orifícios de entrada de ar de diluição de menor superfície em seção são de forma oval.
[0027] Nesse caso, a relação geométrica pré-citada é igual a 1 para os orifícios de entrada de ar de diluição de maior superfície em seção.
[0028] As bordas dos orifícios de entrada de ar de diluição dos dois tipos apresentam vantajosamente extremidades a montante e/ou a jusante respectivas que são alinhadas circunferencialmente.
[0029] Essa configuração permite reduzir ao máximo os desvios de nível de resfriamento entre os dois tipos de orifícios de entrada de ar de diluição.
[0030] No modo de realização preferido da invenção, cada fileira anular intercalar dessa multiperfuração é interrompida pelos orifícios de entrada de ar de diluição dos dois tipos.
[0031] A multiperfuração permite assim um resfriamento ótimo do conjunto desses orifícios de entrada de ar de diluição.
[0032] Como variante, determinadas fileiras intercalares podem ser interrompidas apenas pelos orifícios de diluição de maior superfí-cie, quando isto apresenta um interesse.
[0033] Por outro lado, o afastamento axial entre cada par de filei-ras consecutivas, dentre essas fileiras anulares a montante, a jusante e intercalares dessa multiperfuração é, de preferência, igual a um valor constante predeterminado.
[0034] Essa regularidade na disposição das microperfurações, co-nhecida em si, permite notadamente facilitar a realização das micro-perfurações.
[0035] A invenção se refere também a uma câmara anular de combustão para turbomáquina, compreendendo duas paredes anula-res coaxiais, respectivamente interna e externa, ligadas uma à outra por uma parede anular de fundo de câmara e da qual uma pelo menos é do tipo descrito acima.
[0036] A invenção se refere ainda a uma turbomáquina, compre-endendo uma câmara anular de combustão do tipo descrito acima.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0037] A invenção será melhor compreendida e outros detalhes, vantagens e características desta aparecerão com a leitura da descrição seguinte, feita a título de exemplo não limitativo e com referência aos desenhos anexados, nos quais:
  • - a figura 1, já descrita, representa uma vista esquemática parcial em corte axial de uma câmara de combustão de turbomáquina de um tipo conhecido;
  • - a figura 2, já descrita, representa uma vista esquemática parcial desenvolvida em plano de uma parede anular da câmara de combustão da figura 1;
  • - a figura 3 representa uma vista semelhante à figura 2, de uma parede anular de câmara de combustão, de acordo com a invenção.
[0038] No conjunto dessas figuras, as referências idênticas podem designar elementos idênticos ou análogos.
EXPOSIÇÃO DETALHADA DE UM MODO DE REALIZAÇÃO PREFERIDO.
[0039] A figura 3 ilustra uma parte de uma parede anular 60 desti-nada a constituir a parede interna ou a parede externa de uma câmara de combustão de turbomáquina semelhante à câmara de combustão da figura 1 descrita acima.
[0040] Essa parede anular 60 difere da parede de tipo conhecido ilustrada na figura 2 pela conformação desses orifícios de entrada de ar de diluição de menor superfície em seção 62 e pela configuração das microperfurações 46 dessa parede.
[0041] Com efeito, os orifícios de entrada de diluição de menor superfície em seção 62 apresentam uma forma oval, de eixo maior sensivelmente paralelo ao eixo de revolução da câmara de combustão.
[0042] Ao contrário, os orifícios de entrada de ar de diluição de maior superfície em seção 40 sendo semelhantes àqueles da parede da figura 2, os orifícios de entrada de ar de diluição de menor superfície 62 apresentam uma superfície sensivelmente idêntica àquela dos orifícios de entrada de ar de diluição de menor superfície 42 da figura 2.
[0043] A forma oval dos orifícios 62 permite um aumento da exten-são circunferencial de cada setor angular 64 das fileiras intercalares 52 de microperfurações 46, em particular no que se refere aos setores angulares situados entre dois orifícios de menor superfície 62 adjacen-te.
[0044] Essa forma oval permite, além disso, aumentar a densidade global de microperfurações 46 sobre o contorno de cada orifício de di-luição de menor superfície 62, e permite, em particular, evitar a exis-tência de zonas desprovidas de microperfurações sobre esse contor-no, tais como as zonas 54 e 56 da figura 2.
[0045] A forma oval dos orifícios 62 é apenas um exemplo de conformação de orifícios dentre múltiplas possibilidades nas quais o coeficiente da divisão do afastamento máximo L entre dois pontos quaisquer da borda de cada orifício medido segundo uma direção paralela ao eixo de revolução 18 (figura 1) da parede pelo afastamento máximo 1 entre dois pontos quaisquer da borda desse orifício medido, segundo uma direção perpendicular a esse eixo 18 é superior ou igual a um no caso dos orifícios 40 de maior superfície em seção, e é superior àquele desses orifícios 40 de maior superfície em seção no caso dos orifícios 62 de menor superfície em seção.
[0046] No exemplo ilustrado na figura 3, os orifícios de diluição 40 e 62 dos dois tipos apresentam extremidades a montante 66 e a jusan-te 68 respectivas que são alinhadas circunferencialmente, para uma homogeneidade de resfriamento ótimo.

Claims (7)

  1. Parede anular (60) para câmara anular de combustão (10) de turbomáquina, compreendendo pelo menos uma fileira anular de orifícios de entrada de ar de diluição (30) compreendendo orifícios de dois tipos diferenciados pela superfície em seção, dentre os quais orifícios (40) de maior superfície em seção e orifícios (62) de menor superfície em seção, assim como uma multiperfuração (48, 50, 52) para o resfriamento dessa parede, essa multiperfuração sendo formada de microperfurações (46) que apresentam uma superfície em seção inferior àquela de cada um desses orifícios de entrada de ar de dilui-ção (30) e que são repartidos em uma fileira anular a montante (48) e uma fileira anular a jusante (50) formadas respectivamente a montante e a jusante dessa fileira de orifícios de entrada de ar de diluição (30), e pelo fato de pelo menos uma fileira anular intercalar (52) interrompida por esses orifícios de entrada de ar de diluição (30), uma relação geométrica sendo definida para cada um dos orifícios de entrada de ar de diluição (30) como o quociente da divisão do afastamento máximo L entre dois pontos quaisquer da borda desse orifício medido segundo uma direção paralela a um eixo de revolução (18) dessa parede pelo afastamento máximo L entre dois pontos quaisquer da borda desse orifício, medido segundo uma direção perpendicular a esse eixo de revolução (18),
    • - essa relação geométrica, no caso desses orifícios de en-trada de ar de diluição (40) de maior superfície em seção ser superior ou igual a 1; essa parede sendo caracterizada pelo fato de
    • - essa relação geométrica, no caso desses orifícios de entrada de ar de diluição (62) de menor superfície em seção, ser superior àquela desses orifícios de diluição (40), de maior superfície em seção.
  2. Parede, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de esses orifícios de entrada de ar de diluição (40) de maior superfície em seção serem de forma circular e esses orifícios de entrada de ar de diluição (62) de menor superfície em seção serem de forma oval.
  3. Parede, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracteri-zada pelo fato de as bordas desses orifícios de entrada de ar de dilui-ção (30, 40, 62) dos dois tipos apresentarem extremidades a montante (66) e/ou a jusante (68) respectivas que são alinhadas circunferenci-almente.
  4. Parede, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de cada fileira anular intercalar (52) des-sa multiperfuração ser interrompida por esses orifícios de entrada de ar de diluição (30, 40, 62) dos dois tipos.
  5. Parede, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de o afastamento axial entre cada par de fileiras consecutivas, dentre essas fileiras anulares a montante (48), a jusante (50) e intercalares (52) dessa multiperfuração, ser igual a um valor constante d predeterminado.
  6. Câmara anular de combustão (10) para turbomáquina, compreendendo duas paredes anulares coaxiais, respectivamente in-terna (12) e externa (14), ligadas uma a outra por uma parede anular de fundo de câmara (20), caracterizada pelo fato de pelo menos uma dessas paredes anulares coaxiais ser uma parede (60), como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 5.
  7. Turbomáquina, caracterizada pelo fato de compreender uma câmara anular de combustão (10), como definida na reivindicação 6.
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