BR112014007517B1 - Turbomáquina com ventoinha não carenada - Google Patents

Abstract

lâmina para uma ventoinha de uma turbomáquina, principalmente do tipo ventoinha não carenada, ventoinha correspondente, e turbomáquina correspondente. lâmina para uma ventoinha de uma turbomáquina, principalmente do tipo ventoinha não carenada, ventoinha correspondente e turbomáquina correspondente. de acordo com a invenção, a lâmina (11a) compreende meios (16) arranjados em uma única localização, de modo que eles, de maneira localizada, quando a ventoinha (7) gira, perturbem a distribuição de fluxo ao redor da lâmina (11a) de modo a formar dois vórtices principais independentes a jusante.

Description

[0001] A presente invenção é relativa a uma lâmina para uma ventoinha de uma turbomáquina, principalmente do tipo ventoinha não carenada, a uma ventoinha cor-respondente, e uma turbomáquina correspondente.

[0002] Embora a presente invenção seja particularmente adequada a turbomá- quinas com uma ventoinha não carenada, também descrita como um motor aberto, sua utilização não é, contudo, limitada a tal aplicação.

[0003] Como é conhecido, uma turbomáquina com ventoinha não carenada pode compreender duas ventoinhas externas coaxiais e contra-rotativas, respectivamente à montante (frente) e à jusante (trás), que são, cada uma, acionadas em rotação por uma turbina e que se estendem substancialmente de maneira radial fora da nacela da turbomáquina. Cada ventoinha usualmente compreende um cubo que é concên-trico ao eixo longitudinal da turbomáquina com lâminas afixadas a ele.

[0004] Contudo, a interação aerodinâmica entre as ventoinhas contra-rotativas a montante e a jusante de tal turbomáquina com uma ventoinha não carenada gera níveis acústicos operacionais elevados. Na prática, a rotação das lâminas das vento-inhas contra-rotativas a montante e a jusante provoca a formação de:- rastros ao longo da extensão das lâminas a jusante dela;- vórtices marginais na extremidade livre das lâminas; e - turbulências na base das lâminas.

[0005] Estas perturbações aerodinâmicas a jusante da ventoinha a montante são a fonte de ruído de interação aerodinâmica quando atingem a ventoinha a jusante ou passam na proximidade dela.

[0006] Em particular, durante fases de operação em baixa velocidade de uma turbomáquina com ventoinha não carenada (tais como, quando ela está montada em uma aeronave, taxiamento, decolagem e aproximação), a contribuição dominante do ruído irradiado que se origina das linhas de interação associadas com a ventoinha a jusante que está operando na mesma corrente a partir da ventoinha a montante, passando através das folhas de vórtice constituídas de rastros e vórtices marginais formados pelas lâminas da ventoinha a montante (também chamadas lâminas a montante). Quando um vórtice marginal a partir das lâminas a montante interage com as lâminas da ventoinha a jusante (de outra maneira chamadas lâminas a jusante) a interação do vórtice marginal da lâmina a jusante domina o espectro acústico irradiado para a maior parte das diretividades.

[0007] Também para reduzir as emissões de som não desejadas a partir de tais turbomáquinas e assim satisfazer os critérios de certificação acústica impostos pelas autoridades aeronáuticas, é necessário reduzir o ruído irradiado em baixa velocidade reduzindo a interação de vórtice marginal de lâmina a jusante.

[0008] Atualmente, a solução conhecida mais amplamente utilizada - chamada clipping (apegar) - consiste em reduzir o diâmetro da ventoinha a jusante de modo a fazer os vórtices marginais gerados pelas lâminas a montante passar fora das lâmi-nas a jusante para limitar a interação desta última com os vórtices marginais. Isto genericamente leva a aumentar a corda das lâminas a jusante para manter a tração desejada e a relação de torque entre as ventoinhas a montante e a jusante. Tal so-lução pode ser empurrada para o limite por carregar de maneira muito forte a extre-midade das lâminas a montante, de modo a descarregar o restante de cada uma das lâminas a montante para reduzir o impacto do rastro a partir da ventoinha a montante sobre a ventoinha a jusante que é também a fonte de ruído de interação indesejável.

[0009] Contudo, tal solução se prova aceitável somente para uma configuração isolada e livre de incidência da turbomáquina, o que quer dizer sem elemento exter-no articulado a ela. Na presença de elementos suporte, fuselagem ou de incidência, a concentração e a axissimetria do escoamento de ar através da ventoinha a mon-tante são modificadas, de modo que o “clipping” produzido não mais impede a inte-ração das lâminas a jusante e dos vórtices marginais gerados pelas lâminas a mon-tante. Uma redução significativa da altura das lâminas a jusante (que corresponde a um clipping significativo) leva a aumentar a corda associada com as lâminas a jusan-te de modo a reter a carga, o que degrada a eficiência da turbomáquina associada e, portanto, não é satisfatório.

[0010] O objetivo da presente invenção é remediar esta desvantagem e, em par ticular, reduzir substancialmente o ruído irradiado por uma turbomáquina com vento-inha não carenada, com ventoinhas contra-rotativas gêmeas, enfraquecendo a inte-ração de vórtice marginal de lâmina a jusante. Para esta finalidade, de acordo com a invenção, as lâminas para uma ventoinha de uma turbomáquina, principalmente de tipo ventoinha não carenada, é digno de observação que ela compreende meios arranjados em uma única localização, de modo a perturbar de maneira localizada quando a ventoinha gira, a distribuição do fluxo ao redor da lâmina, de modo a formar dois vórtices principais independentes a jusante, os meios de perturbação compreendendo uma única saliência formada sobre a bordo de ataque da lâmina e caracterizada por a única saliência ser definida por sua posição de envergadura h tal que 0,75 H < h < 0,85 H, H sendo altura da lâmina.

[0011] Assim, em virtude da invenção, a distribuição do fluxo ao redor da lâmina é modificada de modo a provocar dois vórtices principais:- um primeiro vórtice natural (ou vórtice marginal) que é formado na ex-tremidade livre da lâmina;- um segundo vórtice forçado distinto (ou vórtice principal suplementar) que ocorre na vizinhança do meio de perturbação.

[0012] Os vórtices marginal e suplementar são co-rotativos (isto quer dizer que eles apresentam a mesma direção de rotação) e permanecem independentes um do outro tanto até a ventoinha a jusante. Em virtude da invenção, uma modificação da distribuição do fluxo é produzida ao redor de uma única posição local e o resultado é a formação de dois vórtices - de intensidade mais fraca do que o único vórtice mar-ginal atualmente observado - que não se fundem juntos. Além disto, os níveis de desempenho de uma ventoinha a montante que compreende lâminas que se con-formam à invenção não são modificados por comparação com uma ventoinha a montante equipada com lâminas sem os meios de perturbação da invenção.

[0013] De acordo com a presente invenção, os meios de perturbação compreendem uma única saliência formada sobre o bordo de ataque da lâmina, que torna possível criar vórtices co-rotativos marginais e suplementares acompanhados pela formação de vórtices auxiliares contra-rotativos, o que quer dizer que eles apresen- tam uma direção de rotação que é o inverso daquela dos dois vórtices co-rotativos inseridos entre os dois vórtices co-rotativos o que impede a eles de unirem e os mantém independentes um do outro tanto até as lâminas da ventoinha a jusante. Deveria ser observado que adição de uma saliência suplementar conduz à união rápida dos dois vórtices marginal e suplementar, o que não é desejável.

[0014] De maneira vantajosa, a única saliência é definida por:- sua posição de envergadura h tal que 0,75 H <h < 0,85 H, H sendo a al-tura da lâmina,- e opcionalmente por:- sua altura de envergadura d tal que 0,05 H < d < 0,2 H;- sua largura de corda 1 tal que c/16 < 1 < c/8, c sendo o comprimento da corda local da lâmina na posição de envergadura h de dita saliência.

[0015] Em uma variante de acordo com a invenção, a lâmina pode compreender um entalhe que é formado no bordo de ataque de dita lâmina e que é adjacente à dita saliência.

[0016] Além disto, a presente invenção é relativa também a uma ventoinha, prin-cipalmente para uma turbomáquina com uma ventoinha livre que compreende uma pluralidade de lâminas do tipo daquela descrita acima.

[0017] Além disto, a presente invenção também é relativa a uma turbomáquina que compreende pelo menos uma ventoinha do tipo daquela mencionada anteriormente.

[0018] Em particular, quando a turbomáquina é do tipo ventoinha não carenada e compreende duas ventoinhas co-axiais e contra-rotativas, pelo menos a ventoinha a montante é de maneira vantajosa do tipo daquela detalhada acima.

[0019] As figuras do desenho anexo fornecerão um bom entendimento de como a invenção pode ser produzida. Nestas figuras referências idênticas indicam elemen-tos similares.

[0020] A figura 1 é uma vista esquemática em seção transversal longitudinal de uma turbomáquina com ventoinha não carenada e equipada com lâminas a montante de acordo com uma modalidade de acordo com a invenção.

[0021] A figura 2 é uma vista esquemática ampliada em elevação de uma lâmina a montante da figura 1.

[0022] As figuras 3 a 5, similares à figura 2, representam três modalidades variantes das lâminas a montante da figura 2 que se conformam à presente invenção.

[0023] A figura 1 mostra de maneira esquemática uma turbomáquina com ventoinha não carenada 1 que se conforma com a invenção, que compreende, a montante para jusante, na direção de fluxo dos gases (simbolizado pela seta F) dentro da tur- bomáquina de eixo longitudinal L-L um compressor 2, uma câmara de combustão anelar 3, uma turbina de alta pressão 4 e duas turbinas de baixa pressão 5 e 6 que são contra-rotativas, o que quer dizer, que elas giram em duas direções opostas ao redor do eixo longitudinal L-L.

[0024] Cada uma das turbinas de baixa pressão 5 e 6 é presa em rotação a uma ventoinha externa 7, 8 que se estende radialmente fora da nacela 9 da turbomáquina 1, a nacela 9 sendo substancialmente cilíndrica e se estendendo ao longo do eixo LL ao redor do compressor 2, a câmara de combustão 3 e as turbinas 4, 5, 6. Os gases de combustão que saem das turbinas são expelidos através de um bocal 10 para aumentar o empuxo.

[0025] As ventoinhas 7 e 8 são arranjadas de maneira coaxial uma atrás da outra e compreendem uma pluralidade de lâminas 11A e 11B que são distribuídas de ma-neira equiangular ao redor do eixo longitudinal L-L. As lâminas 11A e 11B se esten-dem de maneira substancialmente radial e são do tipo com ajustamento variável, o que quer dizer que elas podem girar ao redor de seu eixo longitudinal de modo a otimizar sua posição angular de acordo com as condições operacionais desejadas da turbomáquina 1. Obviamente, como uma variante, as lâminas das ventoinhas po-deriam também ser de ajustamento fixo.

[0026] Cada ventoinha 7 a montante ou 8 a jusante compreende um cubo rotativo 12, 13 que suporta as lâminas 11A, 11B e arranjado de maneira concêntrica ao eixo longitudinal L-L da turbomáquina 1 em ângulos retos com ela.

[0027] As lâminas a montante 11A e a jusante 11B são, cada uma, formadas por um corpo de lâmina 14 e um pé ou base de lâmina 15 montados para girar sobre o cubo correspondente 12, 13.

[0028] Na modalidade da figura 2 conforme a invenção, cada lâmina 11A da ven-toinha a montante 7 compreende uma única saliência 16 formada sobre o bordo de ataque 17 de dita lâmina 11A considerada.

[0029] Além disto, a única saliência 16 de forma arredondada é definida de maneira vantajosa pelos seguintes parâmetros:- sua posição de envergadura h que está entre 0,75 H e 0,85 H com h sendo a altura da lâmina a montante 11A;- sua altura de envergadura d, que está entre 0,5 H e 0,2 H; e- sua largura de corda 1 que está entre c/6 e c/8 com c sendo o compri-mento da corda local da lâmina na posição de envergadura h de dita saliência 16.

[0030] Assim a única saliência torna possível perturbar a distribuição do fluxo ao redor da lâmina a montante 11A o que provoca os dois vórtices principais co- rotativos:- um primeiro vórtice natural (ou vórtice marginal que é formado na ex-tremidade livre 18 da lâmina a montante 11A);- um segundo vórtice forçado distinto (ou vórtice principal suplementar) que ocorre na vizinhança da única saliência 16.

[0031] Além disto, a única saliência 16 também provoca a formação de vórtices auxiliares co-rotativos, o que quer dizer de uma direção contrária aos dois vórtices marginal e suplementar que são inseridos entre os dois vórtices principais co- rotativos, impedindo assim a eles de se unirem.

[0032] Em outras palavras, quando a ventoinha a montante 7 gira, a única saliência 16 perturba de maneira localizada a distribuição do fluxo ao redor da lâmina a montante 11A de modo a formar dois vórtices principais independentes a jusante e que permanecem independentes até a ventoinha 8 a jusante.

[0033] Além disto, as figuras 3 a 5 mostram três modalidades variantes da saliência da lâmina a montante 11A conforme a invenção.

[0034] Em particular, as saliências 16A e 16B das figuras 3 e 4 são de forma respectivamente triangular e retangular. Os parâmetros associados h, d e l são simi- lares àqueles da saliência 16 da figura 2.

[0035] Além disto, em outra variante conforme a invenção como mostrada na figura 5, um entalhe 19 formado no bordo de ataque 17 da lâmina a montante 11A é associado com a saliência 16. O entalhe 19 que é adjacente à saliência 16 é arran-jado entre esta última e a extremidade livre 18 da lâmina a montante 11A. Como uma variante, seria possível prever ter a saliência arranjada entre o entalhe e a ex-tremidade livre da lâmina a montante.

Claims (4)

1. Turbomáquina com ventoinha não carenada, caracterizada pelo fato de compreender duas ventoinhas coaxiais e contra-rotativas (7, 8), respectivamente a montante e a jusante, ditas ventoinhas a montante e a jusante compreendendo uma pluralidade de lâminas (11A, 11B), em que as lâminas de dita ventoinha a montante (11A) compreendem meios (16, 16A, 16B) arranjados, em uma única localização, de modo a perturbar de maneira local, à medida que a ventoinha a montante (7) gira, a distribuição do fluxo ao redor da lâmina (11A), de modo a formar dois vórtices principais independentes a jusante, em que ditos meios compreendem uma única saliência (16, 16A, 16B) que é formada no bordo de ataque (17) da lâmina (11A), e que é definida por sua posição de envergadura h de modo que 0,75 H < h < 0,85 H, H sendo a altura da lâmina (11A).

2. Turbomáquina de acordo com reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a única saliência (16, 16A, 16B) ser definida por sua altura de envergadura d, de modo que 0,05 H < d < 0,2 H, H sendo a altura da lâmina (11A).

3. Turbomáquina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizada pelo fato de a única saliência (16, 16A, 16B) ser definida por sua largura de corda l de modo que c/6 < l < c/8, c sendo o comprimento da corda local da lâmina na posição de envergadura h da dita saliência (16, 16A, 16B) .

4. Turbomáquina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de compreender um entalhe (19) que é formado no bordo de ataque (17) da dita lâmina (11A) e que é adjacente à dita saliência (16).

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