BR112013021692B1 - Cárter de turbina, turbina de turbomáquina e turbomáquina de aeronave - Google Patents

Abstract

cárter de turbina, comportando meios de fixação de setores de anel. a presente invenção propõe um cárter (30) de turbina de aeronave, destinado a sustentar um conjunto de setores de anel (28) que delimita em parte um conduto de passagem de um fluxo de gás através da turbina, comportando meios de regulagem dinâmica da posição radial dos setores de anel (28), uma garra radial a montante (38) que liga uma extremidade a montante de cada setor de anel (28) ao cárter (30) e uma garra radial a jusante (40) que liga uma extremidade a jusante de cada setor de anel (28) do cárter (30), tal que pelo menos a garra radial a montante (38) é realizada em uma única peça com o cárter (30) e é ligada diretamente à extremidade a montante de cada setor de anel (28).

Description

Descrição

[0001] A presente invenção propõe um cárter de turbomáquina, comportando meios de fixação de setores de anel.

[0002] A invenção propõe mais particularmente um cárter para o qual os setores de anel são fixados, de maneira a limitar os escapamentos de ar de resfriamento dos setores de anel.

Estado da Técnica Anterior

[0003] Em uma turbomáquina de aeronave, a posição radial do topo das pás da turbina alta pressão varia segundo as condições de funcionamento da turbomáquina, notadamente devido ao fato das pás se dilatarem mais ou menos, pois elas são aquecidas pelos gases de combustão e também devido ao fato da velocidade de rotação da turbomáquina provocar um alongamento das pás mais ou menos importante por ação centrífuga.

[0004] As pás da turbina alta pressão são dispostas em um veio da turbina, que é delimitada por um anel externo formado de uma pluralidade de setores de anel adjacentes. Os topos das pás evoluem nas proximidades da face interna de cada setor de anel.

[0005] Já que a posição radial do topo de cada pá varia em função das condições de funcionamento da turbomáquina, a folga radial entre o topo de cada pá e os setores de anel varia também.

[0006] Se essa folga for muito considerável, um turbilhonamento dos gases ocorrerá no nível do topo de cada pá, o que prejudicará a eficácia da turbomáquina. Se a folga for muito pequena, o topo de uma pá poderá entrar em contato com um setor de anel e danificar este.

[0007] Cada setor de anel é portado por um cárter externo da turbomáquina que é fabricado de maneira a controlar a extensão dessa folga radial.

[0008] Para isto, o cárter comporta bossas sobre as quais é projetado um fluxo de ar mais frio do que a temperatura do cárter para resfriar o cárter e provocar uma contração radial do cárter. Essa contração do cárter leva a uma diminuição do diâmetro do cárter e do anel, reduzindo assim a folga radial entre os topos das pás e os setores de anel.

[0009] O cárter é geralmente denominado "cárter de pilotagem".

[00010] A ligação entre os setores de anel e o cárter é realizada por intermédio de travessas radiais fixadas no cárter, por um lado, e nos setores de anel, por outro lado.

[00011] Esse modo de fixação dos setores de anel é descrito, por exemplo, no documento EP 1.903. 186.

[00012] Cada travessa se estende sobre um setor angular e cada uma é fixada em dois setores de anel associados.

[00013] As travessas sendo fixadas no cárter de pilotagem, elas são, portanto, móveis radialmente para permitir o deslocamento radial dos setores de anel. Também, uma folga de funcionamento está presente entre duas travessas adjacentes.

[00014] Todavia, por causa da folga entre as travessas, o ar, que é utilizado para o resfriamento dos setores de anel, pode escapar através dessa folga para atingir o veio da turbina à alta pressão, reduzindo, então, a eficácia da turbina à alta pressão e da turbomáquina.

[00015] Além disso, a montagem das travessas sobre o cárter de pilotagem e relativamente complexa e a massa das travessas reduz o desempenho geral da turbomáquina.

[00016] A invenção tem por finalidade propor um cárter de turbomáquina que permite resolver os problemas precedentes.

Exposição da Invenção

[00017] A invenção propõe um cárter de turbina de aeronave, destinado a portar um conjunto de setores de anel que delimita em parte um conduto de passagem de um fluxo de gás através da turbina, o cárter comportando meios de regulagem dinâmica da posição radial dos setores de anel pela injeção controlada de um fluxo de ar sobre partes de uma parede anular do cárter, o cárter comportando uma garra radial a montante que liga uma extremidade a montante de cada setor de anel, segundo o sentido de escoamento do fluxo de gás, ao cárter, e uma parte radial que liga uma extremidade a jusante de cada setor de anel ao cárter, caracterizado pelo fato de que pelo menos a garra radial a montante é fabricada em uma única peça com o cárter e é ligada diretamente à extremidade a montante de cada setor de anel.

[00018] Esse modo de realização de pelo menos a garra a montante permite suprimir meios de fixação da parte a montante sobre o cárter, reduzindo o peso do cárter e limitando também os riscos de fugas.

[00019] De preferência, as duas garras radiais são fabricadas em uma única peça com o cárter e são ligadas diretamente a cada setor de anel.

[00020] De preferência, pelo menos a garra radial a montante comporta orifícios de passagem de ar de ventilação dos setores de anel.

[00021] De preferência, cada garra radial é em forma de uma coroa que se estende radialmente para o interior, em um plano radial em relação ao eixo principal da turbina, a partir de uma face anular interna da parede anular do cárter.

[00022] De preferência, o cárter comporta um conduto de orientação de um fluxo de ar ao longo de uma face anular interna da parede anular do cárter.

[00023] De preferência, esse conduto de orientação desemboca em direção aos setores de anel.

[00024] De preferência, os orifícios da garra radial a montante desembocam nesse conduto de orientação.

[00025] De preferência, o conduto é delimitado radialmente pela parede anular e por uma chapa anular de orientação que é disposta radialmente entre a parede anular e os setores de anel.

[00026] A invenção propõe também uma turbina de turbomáquina de aeronave, caracterizada pelo fato de que ela comporta um conjunto estatórico composto de um cárter, de acordo com a invenção, e composto de uma pluralidade de setores de anel que são fixados diretamente pelo menos na parte radial a montante do cárter.

[00027] A invenção propõe também uma turbomáquina de aeronave, comportando uma turbina, de acordo com a invenção, e/ou um cárter, de acordo com a invenção.

Breve Descrição dos Desenhos

[00028] Outras características e vantagens da invenção aparecerão com a leitura da descrição detalhada que se segue para a compreensão da qual se reportará às figuras anexadas, dentre as quais: - a figura 1 representa uma vista em corte axial parcial de uma turbomáquina, comportando um cárter fabricado de acordo com a invenção; - a figura 2 representa um detalhe em escala mais ampliada do cárter de pilotagem representado na figura 1, no qual as duas garras radiais são fabricadas em uma peça como cárter; - a figura 3 representa uma vista similar àquela da figura 2, mostrando uma variante de realização da invenção, comportando um conduto anular de orientação de um fluxo de resfriamento da parede anular do cárter; - a figura 4 representa um detalhe, em perspectiva, da variante representada na figura 3, mostrando os dois trechos da chapa anular que delimita o conduto anular.

Exposição Detalhada de Modos de Realização Particulares

[00029] Representou-se parcialmente na figura 1 uma turbomáquina 10 de eixo principal A, que comporta sucessivamente, no sentido de escoamento do fluxo de gás, isto é, no caso, da esquerda para a direita, um compressor à alta pressão 12, uma câmara de combustão 14 e uma turbina à alta pressão.

[00030] A turbina à alta pressão comporta um conduto anular 18, comumente denominada "veio", através do qual os gases provenientes da câmara de combustão 14 circulam, de cima para baixo, distribuidores 20 fixos e pás 22 móveis que são dispostos no veio 18.

[00031] As pás 22 são sustentadas por um corpo à alta pressão 24 da turbina à alta pressão, que é móvel em rotação em torno do eixo principal A da turbomáquina 10, e liga a turbina à alta pressão ao compressor à alta pressão 12.

[00032] A turbina à alta pressão comporta um conjunto estatórico radialmente externo que delimita em parte o veio e que comporta uma pluralidade de setores de anel 28 adjacentes que delimitam radialmente o veio 18.

[00033] O conjunto estatórico comporta também um cárter externo da turbina à alta pressão que porta os setores de anel 28, conforme se pode ver mais em detalhes na figura 2.

[00034] O cárter 30 comporta uma parede anular 34 situada radialmente à distância dos setores de anel 28 sobre a face interna 34i da qual os setores de anel 28 são montados.

[00035] O cárter 30 é também fabricado, de maneira a permitir uma regulagem dinâmica da posição radial dos setores de anel 28 em relação ao eixo principal A da turbomáquina 10, para otimizar a folga radial entre o topo 32 de cada pá 22 e a face interna 28i face a cada setor de anel 28.

[00036] Essa regulagem dinâmica é feita segundo as condições de funcionamento da turbomáquina 10, ela consiste principalmente em injetar uma quantidade de ar em direção a uma parte do cárter 30, visando resfriar em parte o cárter 30 e reduzir sua dilatação.

[00037] Para isto, uma quantidade de ar é retirada no compressor à alta pressão 12 e é levada para o cárter 30 por condutos para serem injetados sobre a face externa 34e da parede anular 34.

[00038] O ar retirado é injetado em uma caixa de pilotagem 60 do cárter 30, que é solidário à parede anular 34.

[00039] A caixa de pilotagem 60 comporta bossas 36 que são realizadas sobre a face externa 34e da parede anular 34. As bossas 36 são formadas para favorecer as trocas de calor com o ar injetado.

[00040] A caixa de pilotagem 60 é multiperfurada, isto é, ela comporta uma pluralidade de perfurações atravessadas pelo ar para permitir um resfriamento das bossas 36 por impacto com o ar.

[00041] Em função da quantidade de ar que é injetada sobre as bossas 36, o cárter 30 é resfriado de maneira mais ou menos importante e a amplitude de sua dilatação é assim controlada.

[00042] Os setores de anel 28 são montados sobre a parede 34 do cárter 30, eles se deslocam, portanto, radialmente de maneira solidária à dilatação ou à contração do cárter 30.

[00043] Assim, o ar projetado sobre as bossas 36 permite modificar a posição radial dos setores de anel 28 em relação ao eixo principal A da turbomáquina 10.

[00044] A montagem de cada setor de anel 28 sobre o cárter de pilotagem 30 é realizada por intermédio de duas garras radiais 38, 40 que se estendem radialmente a partir da parede anular 34 do cárter de pilotagem 30 até o setor de anel 28.

[00045] Uma primeira garra radial 38 a montante fica situada no nível da extremidade a montante 28a de cada setor de anel 28, segundo o sentido do escoamento do fluxo de gás e uma segunda garra radial 40 a jusante fica situada no nível da extremidade a jusante 28b do setor de anel 28.

[00046] A extremidade radial interna 38a, 40a de cada garra radial 38, 40 é fixada na extremidade associada 28a, 28b do setor de anel 28, por meios de fixação convencionais.

[00047] A extremidade radial externa 38b, 40b de cada garra radial 38, 40 é fixada na parede anular 34 do cárter 30.

[00048] De acordo com a invenção, pelo menos a garra radial a montante 38 é fabricada em uma só peça com a parede anular 34 do cárter 30, e segundo um modo de realização preferida representado nas figuras, as duas garras radiais 38, 40 são fabricadas em uma única peça com a parede anular 34 do cárter 30.

[00049] Esse modo de realização das garras radiais 38, 40 permite simplificar localmente a estrutura da turbomáquina 10, reduzindo o número de peças. Além disso, isto permite limitar o peso do conjunto, notadamente pela supressão dos meios de fixação das garras radiais 38, 40 na parede anular 34 do cárter 30

[00050] Além disso, as garras radiais 38, 40 são fixas em relação à parede anular 34, o que elimina as folgas de funcionamento e, portanto, as eventuais fugas de ar de resfriamento dos setores de anel 28.

[00051] Cada garra radial 38, 40 consiste globalmente em uma coroa plana, que se estende em um plano radial em relação ao eixo principal A da turbomáquina 10.

[00052] A garra radial a montante 38 comporta, além disso, uma pluralidade de orifícios 42 que são repartidos angularmente e de maneira homogênea em torno do eixo principal A da turbomáquina 10.

[00053] Esses orifícios 42 são feitos de maneira a permitir uma circulação de ar em direção dos setores do anel 28, visando seu resfriamento. Com efeito, os setores de anel 28 estão em contato direto com os gases oriundos da câmara de combustão, cuja temperatura é importante. Esse resfriamento dos anéis 28 permite lhe conferir uma boa duração de vida.

[00054] Cada setor de anel 28 comporta orifícios internos (não representados) e sustenta uma chapa 44 em forma de U para o encaminhamento do ar de resfriamento proveniente dos orifícios 42.

[00055] De acordo com um outro aspecto do cárter de pilotagem 30, cada garra radial 38, 40 é posicionada axialmente no nível de uma bossa de pilotagem 36.

[00056] No caso, o cárter 30 comporta duas bossas de pilotagem 36, que são defasadas axialmente uma em relação à outra.

[00057] Assim, a garra radial a montante 38 fica situada axialmente na vertical da bossa de pilotagem 36 situada a montante, e a garra radial a jusante 40 fica situada axialmente na vertical da bossa de pilotagem 36 situada a jusante.

[00058] Será compreendido que a invenção não está limitada a esse modo de realização, no qual o cárter 30 comporta duas bossas 36 e que se refere também aos modos de realização, nos quais o número de bossas é diferente. A posição das garras radiais 38, 40 é então adaptada para que cada garra radial 38, 40 fique situada no nível de uma bossa de pilotagem 36.

[00059] De acordo com o modo de realização representado na figura 2, cada setor de anel 28 faz diretamente face à parede anular 34 do cárter 30.

[00060] Conforme descrito anteriormente, os setores de anel 28 são aquecidos a uma temperatura elevada pelos gases que circulam no veio 18.

[00061] Assim, os setores de anel 28 podem aquecer a parede anular 34 do cárter 30 por radiação.

[00062] Esse aquecimento da parede anular 34 limita a eficácia do ar de resfriamento projetado sobre as bossas de pilotagem 36.

[00063] É por isso que, de acordo com um outro aspecto da invenção representado nas figuras 3 e 4, o cárter 30 comporta um conduto anular 46 de orientação de um fluxo de ar longo da face interna 34i da parede anular 34.

[00064] Circulando ao longo da parede anular 34, o fluxo de ar resfria a parede anular 34 do cárter 30. Também, o fluxo de ar forma uma barragem à radiação térmica proveniente dos setores de anel 28.

[00065] De acordo com uma variante de realização, o fluxo de ar que atravessa o conduto anular 46 é também utilizado para o resfriamento dos setores de anel 28.

[00066] Para isso, a extremidade a montante 46a do conduto anular 46 fica situada no nível da garra radial a montante 38 e os orifícios 42 desembocam no conduto anular 46. Também, a extremidade a jusante 46b, no conduto anular 46, fica situada no nível da garra radial a jusante 40 e é fabricada, de maneira a desembocar em direção dos setores de anel 28.

[00067] Por conseguinte, o fluxo de ar circula globalmente da montante para a jusante no conduto anular 46, resfriando-se a parede anular 34 do cárter 30, depois ele é redirecionado radialmente para os setores de anel 28 para seu resfriamento, a partir da extremidade a jusante do conduto anular 46.

[00068] De acordo com o modo de realização representado nas figuras 3 e 4, o conduto anular 46 é delimitado radialmente pela parede anular 34 do cárter 30 e por uma chapa anular 48 que é disposta radialmente entre a parede anular 34 e os setores de anel 28.

[00069] Para limitar as fugas de ar, a chapa anular 48 é realizada, de maneira que suas extremidades axiais ficam apoiadas contra as faces diante das garras radiais 38, 40. De preferência, esse apoio é favorecido por uma deformação elástica da chapa anular 48, que é comprimida axialmente entre as duas garras radiais 38, 40.

[00070] Para isso, a chapa anular 48 é de forma convexa e arqueada para o exterior, de modo que as bordas de extremidade axial a montante e a jusante da chapa anular são pelo menos, em parte, orientadas radialmente em direção ao eixo principal A da turbomáquina 10.

[00071] A borda de extremidade a jusante 50 da chapa anular 48 comporta orifícios de saída 52 que são orientados globalmente em direção à chapa em U 44 portada por cada setor de anel 28 e pelos quais o fluxo de ar sai do conduto anular 46 e é redirigido em direção dos setores de anel 28.

[00072] Para permitir sua montagem entre as duas garras radiais 38, 40, conforme se pode ver na figura 4, a chapa anular 48 é fabricada em vários trechos 54 estendendo-se, cada um, sobre um setor angular.

[00073] Por exemplo, a chapa anular é fabricada em três trechos que se estendem, cada um, sobre um setor angular de aproximadamente 120 graus.

[00074] A ligação entre dois trechos 54 adjacentes é realizada, de maneira a permitir um deslocamento relativo dos trechos um em relação ao outro, segundo uma direção perpendicular a um plano radial.

[00075] No caso, a ligação entre as extremidades associadas de dois trechos 54 adjacentes é do tipo telescópico, isto é, que a extremidade de um trecho é recebida na extremidade do outro trecho, e está apta a deslizar, segundo a direção perpendicular ao plano radial.

[00076] Esse deslocamento relativo dos trechos 54 um em relação ao outro permite uma variação do diâmetro da chama anular 48, quando da pilotagem da folga entre os setores de anel 28 e os topos das pás 22, evitando assim que esforços mecânicos internos à chapa anular 48 ou ao cárter de pilotagem 30 sejam produzidos.

[00077] A chapa anular 48 é, no caso, fixada no cárter 30 por intermédio de parafusos radiais 56 que atravessam a parede anular 34. Uma arruela 58 associada a cada parafuso comprimido radialmente pelo parafuso radial associada entre a chapa anular 48 e a parede anular 34 para manter um espaço predefinido correspondente ao conduto anular 46 de passagem de ar.

[00078] A invenção que acaba de ser descrita faz referência à parte estatórica da turbina a alto processo da turbomáquina 10, que comporta o cárter 30 e os setores de anel 28.

[00079] Será compreendido que a invenção não está limitada ao cárter 30, e à turbina à alta pressão 16, e que a invenção se refere também à parte estatórica da turbina de baixa pressão da turbomáquina 10, que comporta também um cárter e setores de anel similares.

Claims (6)

1. Cárter (30) de turbina de aeronave, destinado a portar um conjunto de setores de anel (28) que delimita em parte um conduto de passagem de um fluxo de gás através da turbina, o cárter (30) comportando meios de regulagem dinâmica da posição radial dos setores de anel (28) pela injeção controlada de um fluxo de ar sobre partes (36) de uma parede anular (34) do cárter (30), o cárter (30) comportando uma garra radial a montante (38) que liga uma extremidade a montante de cada setor de anel (28), segundo o sentido de escoamento do fluxo de gás, ao cárter (30), e uma garra radial a jusante (40) que liga uma extremidade a jusante de cada setor de anel (28) do cárter (30), em que pelo menos a garra radial a montante (38) é fabricada em uma única peça com o cárter (30) e é ligada diretamente à extremidade a montante de cada setor de anel (28), em que pelo menos a garra radial a montante (38) comporta orifícios (42) de passagem de ar de ventilação dos setores de anel (28), em que o cárter (30) compreende ainda um conduto (46) de orientação de um fluxo de ar ao longo de uma face anular interna (34i) da parede anular (34) do cárter (30) que desemboca na direção dos setores de anel (28), caracterizado pelo fato de que os orifícios (42) da garra radial a montante (38) desembocam nesse conduto (46) de orientação.

2. Cárter (30), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as duas garras radiais (38, 40) são fabricadas em uma única peça com o cárter (30) e são ligadas diretamente a cada setor de anel (28).

3. Cárter (30), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a cada garra radial (38, 40) é em forma de uma coroa que se estende radialmente para o interior, em um plano radial em relação ao eixo principal da turbina, a partir de uma face anular interna (34i) da parede anular (34) do cárter (30).

4. Cárter (30), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conduto (46) é delimitado radialmente pela parede anular (34) e por uma chapa (48 ) anular de orientação que é disposta radialmente entre a parede anular (34) e os setores de anel (28).

5. Turbina de turbomáquina (10) de aeronave, caracterizada pelo fato de que comporta um conjunto estatórico composto de um cárter (30), como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes, e composto de uma pluralidade de setores de anel (28) que são fixados diretamente pelo menos na garra radial a montante (38) do cárter (30).

6. Turbomáquina de aeronave, caracterizado pelo fato de que compreende uma turbina, como definida na reivindicação 5 e/ou um cárter, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4.

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