BR112014018848B1

BR112014018848B1 - Pá de ventoinha de turbojato, ventoinha de turbojato, e, turbojato

Info

Publication number: BR112014018848B1
Application number: BR112014018848-3A
Authority: BR
Inventors: Frédéric Pouzadoux; Béatrice Nathalie Bois; Jean-Michel Roux; Florent Till
Original assignee: Snecma
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2022-01-04
Also published as: EP2809883A1; CA2862280A1; FR2986285A1; FR2986285B1; CN104081005B; US20150017012A1; RU2626886C2; EP2809883B1; CN104081005A; US9695695B2; BR112014018848A8; RU2014135419A; JP6038180B2; CA2862280C; WO2013114030A1; BR112014018848A2; JP2015509162A

Abstract

pá de ventoinha de turbojato. a invenção é relativa a uma pá de ventoinha de turbojato. o bordo de ataque da pá apresenta um ângulo de flecha maior do que ou igual a +28° em uma porção da pá que está situada em uma altura radial que se situa na faixa de 60% a 90% da altura radial total da pá, medida a partir de sua raiz no sentido de sua ponta e o ângulo de flecha de bordo de ataque apresenta uma diferença ((delta)1) de menos do que 10 graus entre um ângulo de flecha mínimo medido em uma altura radial (hmin) de ângulo de flecha mínimo situado na porção da pá que se situa na faixa de 20% a 90% da altura radial da pá e um ângulo de flecha medido em uma altura radial (hmin+10) que é 10% maior do que dita altura radial de ângulo de flecha mínimo.

Description

Fundamentos da invenção

[0001] A presente invenção é relativa ao campo genérico de pás de uma ventoinha de turbojato. A invenção é relativa, mais particularmente, à sua forma.

[0002] A preparação de uma pá de ventoinha de turbojato precisa satisfazer diversos critérios multidisciplinares. Uma pá de ventoinha é projetada de modo a otimizar seu rendimento e seu empuxo (em particular, suas capacidades de vazão em alta velocidade) enquanto garantindo que tenha boa resistência mecânica (em particular, em altas velocidades de rotação) nas quais as tensões mecânicas às quais a pá é submetida são as mais severas. O projeto de uma pá de ventoinha deve também estar de acordo com alvos de ruído definidos em diversos pontos de operação descritos em padrões correntes. Inúmeras formas de pá de ventoinha foram propostas. Elas são caracterizadas genericamente por uma relação de empilhamento (ensarilhamento) para os bordos de ataque de seus perfis e pela variação no ângulo de flecha do bordo de ataque, para melhorar o desempenho aerodinâmico da pá e para reduzir o ruído gerado pela ventoinha. À guisa de exemplo, pode ser feita menção da Publicação EP- 1.452.741, que descreve uma forma de flecha de pá para uma ventoinha ou compressor de turbojato.

Objetivo e sumário da invenção

[0003] Um objetivo da presente invenção é propor uma forma de pá de ventoinha que consiga melhoramento aerodinâmico considerável comparado com o estado da técnica, em particular, em termos de vazão específica e também de forma mecânica e acústica.

[0004] De acordo com a invenção, este objetivo é alcançado por meio de uma pá de ventoinha de turbojato que tem uma raiz, uma ponta, um bordo de ataque e um bordo de fuga, na qual o bordo de ataque apresenta um ângulo de flecha maior do que ou igual a +28° em uma porção da pá que está situada em uma altura radial que se situa na faixa de 60% a 90% da altura radial total da pá medida a partir de sua raiz no sentido de sua ponta, e o ângulo de flecha do bordo de ataque apresenta uma diferença de menos do que 10° entre um ângulo de flecha mínimo medido em uma altura radial de ângulo de flecha mínimo situado na porção da pá que se situa na faixa de 20% a 90% da altura radial da pá, e um ângulo de flecha medido em uma altura radial que é 10% maior do que dita altura radial de ângulo de flecha mínimo.

[0005] Um valor de no mínimo +28° para a flecha traseira do bordo de ataque possibilita à pá conseguir uma vazão específica máxima maior do que 210 quilogramas por segundo por metro quadrado (kg/s/m2) com operacionalidade suficiente para o motor, isto é, limitando o aumento no ângulo de ataque dos perfis sem ter que recorrer a dispositivos variáveis (passo ajustável, bocal,...). Sua localização em mais do que 60% da altura radial total da pá é imposta pela necessidade para acomodar as tensões e as restrições acústicas às quais a pá é submetida. O equilíbrio mecânico desejado para reduzir tensões em operação nominal (vida útil da zona pá sob a passagem do cubo, interfaces de contato de longa duração entre a pá e o disco) e também sob condições extremas (capacidade para suportar ingestão de aves pesadas, níveis elevados de vibração), mais restrições de operacionalidade que impedem a corda ser muito reduzida na ponta, colocam o limite na amplitude possível de oscilações do centro de gravidade sobre a altura da pá, e ainda mais sobre o fundo 50% onde tensões são principalmente localizadas.

[0006] Localizar esta flecha traseira do bordo de ataque em uma altura radial de menos do que 90% da altura radial total da pá serve para evitar ter flecha traseira excessiva nas seções de ponta (isto é, as seções junto à carcaça que circunda a ventoinha) em relação a seções mais baixas de modo a assegurar estabilidade aeromecânica para a pá.

[0007] Além disto, o limite de 10° para a diferença do ângulo de flecha do bordo de ataque entre a altura radial do ângulo de flecha mínimo situado na porção da pá que se situa na faixa de 20% a 90% da altura radial da pá e um ângulo de flecha medido em uma altura radial que é 10% maior do que a altura radial do ângulo de flecha mínimo serve para melhorar a assinatura acústica da pá, reduzindo de maneira significativa propagação de turbulência em seu rastro em pontos de operação em menos do que empuxo total. Assim, somente o desempenho (em termos de vazão, rendimento e som) da corrente secundária é levado em consideração, onde a corrente secundária tipicamente se situa na faixa de 20% a 100% da altura radial da pá.

[0008] Isto resulta em uma pá que tem desempenho aerodinâmico que é melhorado enquanto permanecendo robusta dos pontos de vista mecânico e acústico.

[0009] O bordo de ataque pode apresentar um ângulo de flecha negativo (isto é, uma flecha dianteira) em uma porção baixa da pá situada na faixa de 0% a 50%. Sob tais circunstâncias, a diferença de ângulo de flecha do bordo de ataque é preferivelmente menor do que 10° entre uma altura radial de passagem à flecha traseira que corresponde a um ponto do bordo de ataque onde a flecha passa para uma flecha traseira e que está situada diretamente acima da altura do ângulo de flecha mínimo e um ângulo de flecha medido em uma altura radial que é 10% maior do que a altura radial de passagem à flecha traseira.

[0010] Em uma provisão vantajosa, a diferença entre o valor de abcissa longitudinal máximo do centro de gravidade das seções de pá situadas acima de um ponto de abcissa longitudinal mínimo e o valor da abcissa longitudinal do centro de gravidade da seção de pá que corresponde ao ponto de abcissa longitudinal mínimo é menor do que ou igual a 20% da corda axial da pá medida em sua raiz. Uma vantagem de tal provisão é limitar o momento da pá e equilibrá-la, em particular, de modo a limitar os momentos de flexão da pá na raiz da pá.

[0011] A invenção também fornece uma ventoinha de turbojato e um turbojato que inclui uma pluralidade de pás como definidas acima.

Breve descrição dos desenhos

[0012] Outras características e vantagens da presente invenção aparecem da descrição a seguir, feita com referência aos desenhos anexos que mostram uma modalidade que não tem caráter limitativo. Nas figuras:

[0013] A figura 1 é uma vista fragmentada em seção longitudinal de uma ventoinha de turbojato que tem pás da invenção;

[0014] A figura 2 é um diagrama que mostra como o ângulo de flecha é definido;

[0015] A figura 3 mostra o perfil do ângulo de flecha do bordo de ataque de uma pá de acordo com a invenção; e

[0016] A figura 4 é uma projeção sobre um plano meridiano da linha através dos centros de gravidade das seções de uma pá de acordo com a invenção.

Descrição detalhada da invenção

[0017] A invenção se aplica a qualquer pá de ventoinha de turbojato, tal como a pá mostrada na figura 1. Esta figura mostra um fragmento de uma ventoinha de turbojato 2 que tem uma pluralidade de pás 4 da invenção, que são regularmente espaçadas uma da outra ao redor do eixo longitudinal X-X do turbojato, o eixo X-X sendo orientado na direção do fluxo de ar que passa através da ventoinha.

[0018] Cada pá 4 é fixada por uma raiz 6 a um disco ou cubo 8 que é acionado em rotação ao redor do eixo longitudinal X-X do turbojato na direção da seta F. Cada pá pode também ter uma plataforma 10 que forma a porção da parede interior que define o interior da passagem de fluxo para o fluxo de ar frio 12 que passa através da ventoinha. Uma parede 14 de uma carcaça que circunda a ventoinha forma a parede exterior que define o exterior da mesma passagem de escoamento de fluxo.

[0019] Na descrição abaixo, para cada pá 4, um eixo radial Z-Z é definido como sendo perpendicular ao eixo longitudinal X-X e passando através do centro de gravidade da seção onde a pá intercepta a parede interior da passagem de fluxo para o fluxo de ar frio. O um eixo tangencial Y-Y (não mostrado nas figuras) forma uma estrutura de referência retangular direita juntamente com os eixos X-X e Z-Z.

[0020] Como mostrado na figura 1, cada pá 4 tem uma pluralidade de seções de pá 16 definidas onde a pá intercepta planos perpendiculares ao eixo radial Z-Z e com centros de gravidade que se empilham ao longo de uma linha dos centros de gravidade Cg.

[0021] Cada pá 4 é também definida radialmente entre uma raiz 18 e uma ponta 20 e longitudinalmente definida entre um bordo de ataque 22 e um bordo de fuga 24. A pá é também torcida a partir de sua raiz 18 até a sua ponta 20 para comprimir o fluxo de ar frio 12 que passa através da ventoinha enquanto ela está em operação.

[0022] Na descrição abaixo, a altura radial mínima da pá igual a 0% é definida como correspondendo ao ponto de interseção do bordo de ataque da pá com a parede interior que define o interior da passagem de fluxo para o fluxo de ar frio, e a altura radial máxima da pá igual a 100% é definida como correspondendo ao ponto onde a linha do bordo de ataque é radialmente a mais afastada do eixo.

[0023] De acordo com a invenção, o bordo de ataque da pá apresenta um ângulo de flecha maior do que ou igual a +28° em uma porção da pá situada em uma altura radial que se situa na faixa de 60% a 90% da altura radial total da pá, quando medida a partir de sua raiz no sentido de sua ponta.

[0024] Como mostrado na figura 2, o ângulo de flecha significa o ângulo α formado em um ponto sobre o bordo de ataque 22 da pá 4 entre a tangente T ao bordo de ataque e linha W perpendicular ao vetor velocidade relativa Vr, esta linha W se situando no plano P que contém ambos, a tangente T e o vetor velocidade relativa Vr. Este ângulo é medido no plano P. Quando o ângulo α formado entre o vetor T (tangente orientada no sentido do raio crescente) e o vetor W (orientado no sentido do raio crescente) é positivo (como mostrado na figura 2), o bordo de ataque é dito ter uma flecha traseira. Inversamente, quando o ângulo α é negativo, é dito que o bordo de ataque apresenta uma flecha dianteira.

[0025] Esta definição concorda com e é idêntica àquela fornecida de maneira mais precisa na publicação por Leroy H. Smith e Hsuan Yeh, intitulada “Sweep and dihedral effects in axial-flow turbomachinery” (Efeitos de flecha e de diedro em turbomáquinas de escoamento axial”) (publicada no Journal of Basic Engineering em setembro de 1963, página 401). Todos os valores fornecidos no presente pedido são calculados de acordo com as fórmulas mostradas em detalhe naquela publicação.

[0026] A linha 26 mostrada na figura 3 fornece um exemplo de como o ângulo de flecha do bordo de ataque de uma pá de acordo com a invenção varia como uma função de altura radial ao longo da pá.

[0027] Nesta modalidade, o bordo de ataque da pá apresenta assim uma flecha traseira, isto é, ele tem um ângulo de flecha positivo com um valor próximo de +30° para altura radial na faixa de 70% a 80%.

[0028] Ainda na invenção, a diferença δ1 no ângulo de flecha do bordo de ataque é menor do que 10° (em valor absoluto) entre o ângulo de flecha em uma altura radial Hmin de ângulo de flecha mínino, que corresponde a um mínimo do ângulo de flecha e que está situado na porção da pá que se estende entre 20% a 90% da altura radial da pá, e um ângulo de flecha medido em uma altura radial Hmin+10 que é 10% maior do que a altura radial do ângulo de flecha mínimo.

[0029] O termo “ângulo de flecha mínimo de altura radial Hmin” é utilizado aqui para significar a altura radial do bordo de ataque da pá na qual o valor do ângulo de flecha é o mínimo. Na modalidade da figura 3, esta altura radial Hmin de ângulo de flecha mínimo está situada em aproximadamente 40% da altura radial total da pá (o ângulo de flecha de -3° naquele ponto é o ângulo de flecha mínimo sobre toda a porção da pá que se estende entre 20% a 90%).

[0030] Ainda na modalidade da figura 3, a diferença δ1 em ângulo de flecha é, em valor absoluto, aproximadamente 5° (ângulo de flecha em Hmin: -3°, ângulo de flecha em Hmin+10: +2°).

[0031] O bordo de ataque da pá pode também apresentar uma flecha dianteira, isto é, um ângulo de flecha negativo em uma porção inferior da pá que se situa na faixa de 0% a 50%. Na modalidade da figura 3, o ângulo de flecha do bordo de ataque é assim negativo para alturas radiais que se situam na faixa de 15% a 45%. Mais precisamente, o ângulo de flecha é inicialmente positivo entre altura radial mínima da pá (0%) e uma altura radial de aproximadamente 15%, e então se torna negativo até uma altura radial de 45% e se torna positivo novamente a partir deste ponto.

[0032] Sob tais circunstâncias, a diferença de ângulo de flecha δ2 do bordo de ataque entre uma altura radial de passagem à flecha traseira H- que corresponde a um ponto do bordo de ataque onde a flecha passa para flecha traseira e que é situada diretamente acima da altura Hmin de ângulo de flecha mínimo e um ângulo de flecha medido na altura radial H+ que é 10% maior do que a altura radial de passagem à flecha traseira é menor do que 10° (em valor absoluto)

[0033] O termo “altura radial de passagem à flecha traseira H-“ é utilizado aqui para significar a altura radial do bordo de ataque da pá na qual o ângulo de flecha passa de um valor negativo para um valor positivo. Na modalidade da figura 3, esta altura radial de passagem à flecha traseira H- está situada em aproximadamente 45% da altura radial total da pá.

[0034] Ainda na modalidade da figura 3, a diferença de ângulo de flecha δ2 tem um valor absoluto de aproximadamente 7° (valor do ângulo de flecha em H-: 0°; valor do ângulo de flecha na altura radial H+ medido 10% acima de H-: +7°).

[0035] A figura 4 mostra a projeção sobre um plano meridiano da linha dos centros de gravidade das seções de uma pá de acordo com a invenção. Esta linha conecta juntos os valores de abcissa longitudinal dos centros de gravidade de cada uma das seções da pá. Em um arranjo vantajoso da invenção mostrado na figura 4, a diferença δXg ao longo do eixo de acionamento X-X orientado na direção do fluxo de ar entre o valor de abcissa longitudinal máximo do centro de gravidade Xg+das seções de pá situadas acima de um ponto de abcissa longitudinal mínimo e o valor de abcissa longitudinal do centro de gravidade Xg-da seção de pá que corresponde ao ponto de abcissa longitudinal mínimo é menor do que ou igual (em valor absoluto) a 20% da corda axial da pá medida em sua seção raiz que é definida pela interseção entre a pá e a parede interior da passagem.

[0036] A ‘corda’ da pá é utilizada para significar a linha reta que conecta juntos os pontos do bordo de ataque aos pontos do bordo de fuga. A projeção axial desta corda ao longo do eixo de acionamento X-X é a corda axial.

[0037] O valor da corda axial da pá medido em sua raiz depende da dimensão do motor. À guisa de exemplo, ela pode ser de aproximadamente 300 mm. Sob tais circunstâncias, a diferença pode, por exemplo, ser aproximadamente 45 mm, que é muito menos do que 20% da corda axial da pá medida em sua raiz.

Claims

1. Pá de ventoinha de turbojato (4) que tem uma raiz (6), uma ponta (20), um bordo de ataque (22) e um bordo de fuga (24), a pá sendo caracterizadapelo fato de que: o bordo de ataque apresenta um ângulo de flecha maior que ou igual a +28° em uma porção da pá que está situada em uma altura radial que se situa na faixa de 60% a 90% da altura radial total da pá medida a partir de sua raiz no sentido de sua ponta; em que o ângulo de flecha do bordo de ataque apresenta um mínimo situado na altura radial de ângulo de flecha mínimo da pá, a altura radial de ângulo de flecha mínimo sendo situada em uma porção da pá que se situa na faixa de 20% a 90% da altura radial total da pá, em que o bordo de ataque apresenta uma primeira diferença de ângulo de flecha correspondendo a uma diferença em valor absoluto entre um ângulo de flecha medido em uma altura radial que é 10% maior que a altura radial de ângulo de flecha mínimo, a primeira diferença de ângulo de flecha sendo menor que 10%, e em que o ângulo de flecha do bordo de ataque é positivo em uma porção da pá que está situada em uma altura radial que se situa na faixa de 0% a 15% da altura total radial total da pá.

2. Pá de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que o bordo de ataque apresenta um ângulo de flecha negativo em uma porção baixa da pá situada na faixa de 0% a 50%, em que o ângulo de flecha de bordo de ataque passa para uma flexa traseira em uma altura radial de troca de flecha traseira da pá, a altura radial de troca de flecha traseira sendo situada diretamente acima da altura de ângulo de flecha mínimo, em que o bordo de ataque apresenta uma segunda diferença de ângulo de flecha correspondendo a uma diferença em valor absoluto entre o ângulo de flecha medido na altura radial de troca de flecha traseira e um ângulo de flecha medido em uma altura radial que é 10% maior do que a altura radial de passagem à flecha traseira, a segunda diferença de ângulo de flecha sendo menor que 10°.

3. Pá de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que uma diferença entre um valor de abcissa longitudinal máximo de um centro de gravidade de seções pá situadas acima de um ponto de abcissa longitudinal mínimo e um valor de abcissa longitudinal do centro de gravidade da seção de pá que corresponde ao ponto de abcissa longitudinal mínimo é menor do que ou igual a 20% da corda axial da pá medida em sua raiz.

4. Ventoinha de turbojato (2), caracterizada pelo fato de que inclui uma pluralidade de pás (4) conforme definidas em qualquer uma das reivindicações 1 a 3.

5. Turbojato, caracterizado pelo fato de que inclui uma pluralidade de pás conforme definidas em qualquer uma das reivindicações 1 a 3.