BR112014024567B1

BR112014024567B1 - Pá de rotor para turbomáquina , disco com pás em uma única peça , rotores de compressor e de ventoinha

Info

Publication number: BR112014024567B1
Application number: BR112014024567-3A
Authority: BR
Inventors: Vincent Paul Gabriel Perrot; Julien Cointe; Jean-François Rios
Original assignee: Snecma
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2022-01-11
Also published as: CN104246136B; RU2635734C2; EP2834470A1; US20150118059A1; EP2834470B1; FR2989107B1; CN104246136A; BR112014024567A2; US10018050B2; CA2868655C; CA2868655A1; RU2014144262A; WO2013150243A1; FR2989107A1

Abstract

pá de rotor para turbomáquina, disco com pás em uma única peça, rotores de compressor e de ventoinha. a invenção é relativa ao campo de pás de rotor para turbomáquina e, em particular, a uma pá de rotor para turbomáquina (112) que compreende uma raiz de pá (113) e uma ponta de pá (114) espaçadas separadas por uma altura de pá (h), com no mínimo um segmento intermediário (112a) entre a raiz de pá (113) e a ponta de pá (114), que apresenta curvatura para frente sobre no mínimo 50% de dita altura de pá (h) e com um segmento distal (112b) com um curvatura para trás entre o segmento intermediário (112a) e a ponta de pá (114), dito segmento distal (112b) também apresentando um ângulo tangencial positivo de inclinação .

Description

Fundamento da invenção

[0001] A presente invenção é relativa ao campo de pás para turbomáquina e, mais particularmente, ao campo de pás para rotor de turbomáquina.

[0002] No presente contexto o termo turbomáquina é utilizado para designar qualquer máquina na qual energia pode ser transferida entre um escoamento de fluido e no mínimo um conjunto de pás tal como, por exemplo, um compressor, uma bomba, uma turbina, ou uma combinação de no mínimo dois deles. Na descrição abaixo, o termo “montante” e o termo “jusante” são definidos em relação à direção normal de escoamento do fluido através da turbomáquina.

[0003] Tal turbomáquina pode compreender uma pluralidade de estágios, cada estágio compreendendo normalmente dois conjuntos de aerofólios, a saber, um conjunto de pás móveis e um conjunto de pás guia estacionárias. Tal conjunto compreende uma pluralidade de aerofólios que são deslocados um do outro em uma direção lateral. Tipicamente os aerofólios são arranjados radialmente ao redor de uma linha de centro (eixo) central A. Assim, tal conjunto forma um rotor quando ele constitui um conjunto de pás móveis, ou um estator quando ele constitui um conjunto de pás guia. A extremidade proximal de cada pá em relação à linha de centro (eixo) central A é normalmente referida como sua raiz, enquanto a extremidade distal é normalmente referida como sua ponta. A distância entre a raiz e a ponta é conhecida como a altura da pá. Entre sua raiz e sua ponta a lâmina é constituída de uma pilha de perfis aerodinâmicos que se estendem substancialmente de maneira perpendicular uma linha de centro (eixo) radial Y. Neste contexto, o termo “substancialmente perpendicular” significa que o plano de cada perfil pode apresentar um ângulo em relação à linha de centro (eixo) radial Y que é próximo a 90°, por exemplo, se situando na faixa de 60° até 120°.

[0004] Em tal turbomáquina, tal rotor é normalmente circundado por uma carcaça. Para limitar as perdas de escoamento no rotor é tipicamente desejável limitar uma folga radial entre as pontas de pá e as paredes internas da carcaça. Não obstante, esta redução em folga radial dá origem a um aumento no risco de contato entre as pontas de pá e as paredes internas da carcaça. Tal contato pode ser particularmente perigoso se a frequência de contato entra em ressonância com a frequência ressonante das pás em flexão. Este problema deu, assim, origem a estudos tal como aquele descrito por Kevin E. Turner, Michael Dunn, e Corso Padova sob o título “Airfoil deflexion characteristics during rub events”, em “ASME Turbo Expo 2010: Power for land sea and air”, June 14-19, 2010, Glasgow, UK, e aquele descrito por Robin J. Williams, sob o título “Stimulation of blade casinginteraction phenomenon in gás turbines resulting from heavy tip rubs using um implicit time marching method”, em “ASMR Turbo Expo 2011”, June 6-10 2011, Vancouver, British Columbia, Canadá.

[0005] Simultaneamente, por razões aerodinâmicas, para aumentar o rendimento de compressores e ventoinhas, em particular aqueles que alcançam velocidades de escoamento transônicas, pás encurvadas para frente foram propostas, por exemplo, no Pedido de Patente US número US 2010/0054946 A1, e também no estudo intitulado “Influence of sweep on the 3D shock structure in na axial transonic compressor” descrito por Jorg Bergner, Stephan Kablitz, Dietmar K. Hennecke, Harald Passrucker, e Erich Steinhardt em ASME Turbo Ezpo 2005: “Power for land sea and air”, of June 6-9, 2005, em Reno-Tahoe, Nevada, USA.

[0006] Não obstante, por razões geométricas, pás encurvadas para frente podem apresentar comportamento que é particularmente negativo no caso de fazer contato com a carcaça. Como resultado de suas formas, a deflexão lateral provocada por tal contato pode piorar o fenômeno de auto- engatamento dinâmico.

[0007] O Pedido de Patente Francês FR 2.851.798 A1 divulga uma pá de rotor que tem um segmento distal que é encurvado para trás entre a ponta da pá e um segmento intermediário que apresenta curvatura para frente sobre uma grande porção da altura da pá. A curvatura para trás do segmento distal em tal configuração pode servir para reduzir o risco de auto- engatamento dinâmico, no mínimo em parte.Objetivo e sumário da invenção

[0008] A presente invenção busca reduzir ainda mais o risco de auto- engatamento dinâmico em uma pá de rotor que compreende um segmento distal encurvado para trás entre a ponta da pá e um segmento intermediário que apresenta curvatura para frente sobre no mínimo 50% da altura da pá.

[0009] Em no mínimo uma modalidade, este objetivo é alcançado pelo fato que dito segmento distal pode também apresentar um ângulo tangencial positivo de inclinação, e em particular um ângulo tangencial positivo de inclinação que é mais pronunciado do que aquele do segmento intermediário, com isto contribuindo juntamente com a curvatura para trás do segmento distal, para limitar interferência entre a ponta da pá e a carcaça anelar que está próxima a ela no caso de a pá ser defletida em flexão. O termo “ângulo tangencial de inclinação” é utilizado no presente contexto para significar o ângulo de inclinação de uma linha que passa através dos centros de gravidade CG de sucessivos perfis em relação a uma linha de centro (eixo) radial em uma direção que conecta a pá à linha de centro de rotação do rotor. Este ângulo de inclinação é considerado ser positivo se, indo no sentido da ponta da pá, a pá se inclina na direção de rotação da pá e, negativo, se a pá se inclina na direção oposta. Por meio destas provisões é possível obter as vantagens aerodinâmicas de pás encurvadas para frente sem comprometer a resposta dinâmica das pás a contatos com a carcaça, tornando possível assim manter pequena folga entre as pontas de pá e a carcaça, juntamente com as vantagens aerodinâmicas que surgem disto. O segmento intermediário pode também apresentar um ângulo tangencial positivo de inclinação sobre no mínimo uma zona adjacente ao segmento distal.

[00010] Em adição, dito segmento distal pode, em particular, ser diretamente adjacente à dita ponta de pá, com isto estendendo a ponta de pá e liberando uma fração maior da altura de pá para o segmento intermediário curvado para frente.

[00011] Para reduzir interferência da ponta de pá com a carcaça anelar, o segmento distal pode ocupar no mínimo 5%, preferivelmente no mínimo 8%, da altura da pá.

[00012] Não obstante, para maximizar as vantagens aerodinâmicas da curvatura para frente, o segmento distal precisa ocupar não mais do que 30%, e preferivelmente não mais do que 15%, da altura da pá.

[00013] A invenção também proporciona um disco com pás de uma única peça (ou “blisk”), que tem uma pluralidade de pás, cada uma tendo um segmento distal encurvado para trás entre um segmento intermediário encurvado para frente e a ponta da pá. Tal disco com pás em uma peça apresenta as vantagens de ser robusto e simples. Não obstante, pás da invenção podem, alternativamente, também ser pás que são fixadas individualmente, por exemplo, utilizando um elemento fixador “fir tree” sob a raiz da pá.

[00014] A invenção também proporciona um rotor de compressor ou de ventoinha que tem uma pluralidade de pás, cada uma tendo um segmento distal encurvado para trás entre de um segmento intermediário encurvado para frente e a ponta da pá.

Breve descrição dos desenhos

[00015] A invenção pode ser bem entendida e suas vantagens aparecerem melhor na leitura da descrição detalhada a seguir de duas modalidades mostradas como exemplos não limitativos. A descrição se refere aos desenhos que acompanham, nos quais:a figura 1 é uma seção longitudinal diagramática de uma turbomáquina;a figura 2A é uma vista em perspectiva diagramática de um rotor de turbomáquina;a figura 2B é uma vista em perspectiva diagramática de um detalhe do rotor da figura 2A;a figura 2C é uma vista em seção transversal de uma das pás do rotor da figura 2A, mostrada no plano IIC-IIC;a figura 3A mostra uma pá de um rotor que é encurvada para frente;a figura 3B mostra uma pá de rotor que é encurvada para trás;a figura 3C mostra uma pá de rotor que apresenta um ângulo tangencial de inclinação que é negativo;a figura 3D que mostra a vibração de uma pá em flexão depois mostra uma pá de rotor que apresenta um ângulo tangencial de inclinação que é positivo;a figura 4 é um diagrama que faz contato com a carcaça;a figura 5 é uma vista em perspectiva de uma pá de turbomáquina em uma primeira modalidade da invenção;a figura 6A é um diagrama que mostra como a curvatura da pá da figura 5 varia entre a raiz e a ponta da pá;a figura 6B é um diagrama que mostra como o ângulo tangencial de inclinação da pá da figura 5 varia entre a raiz e a ponta da pá;a figura 7A é um diagrama que mostra como a curvatura de uma pá em uma segunda modalidade varia entre a raiz e a ponta da pá; ea figura 7B é um diagrama que mostra como o ângulo tangencial de inclinação da pá da segunda modalidade varia entre a raiz e a ponta da pá.

Descrição detalhada da invenção

[00016] A figura 1 mostra um exemplo ilustrativo de uma turbomáquina, e mais especificamente de um turbofan de escoamento axial 1. O turbofan 1 mostrado compreende uma ventoinha 2, um compressor de baixa pressão 3, um compressor de alta pressão 4, uma câmara de combustão 5, uma turbina de alta pressão 6 e uma turbina de baixa pressão 7. A ventoinha 2 e o compressor de baixa pressão 3 são conectados à turbina de baixa pressão 7 por meio de um primeiro eixo de transmissão 9, enquanto o compressor de alta pressão 4 e a turbina de alta pressão 6 são conectados juntos por um segundo eixo de transmissão 10. Em operação, um escoamento de ar comprimido por meio dos compressores de baixa e alta pressão 3 e 4, alimenta combustão na câmara de combustão 5, com expansão do gás de combustão acionando as turbinas de alta e baixa pressão 6 e 7. Por meio dos eixos 9 e 10, as turbinas 6 e 7 acionam assim a ventoinha 2 e os compressores 3, 4. O ar impelido pela ventoinha 2 e o gás de combustão que deixa o turbojato 1 através de um bocal de empuxo (não mostrado) à jusante das turbinas 6 e 7 exerce empuxo de reação sobre o turbojato 1, e assim sobre um veículo tal como um aeroplano (não mostrado).

[00017] Cada compressor 3, 4 e cada turbina 6, 7 do turbojato compreende uma pluralidade de estágios, cada estágio sendo formado por um conjunto estacionário de pás ou “estator”, e um conjunto rotativo de pás ou “rotor”. Um rotor de compressor axial 11 está mostrado de maneira diagramática na figura 2A. O rotor 11 tem uma pluralidade de pás 12 arranjadas radialmente ao redor da linha de centro (eixo) de rotação A do rotor 11, cuja linha de centro é substancialmente paralela à direção genérica de escoamento do fluido de trabalho através do turbojato 1. As pás 12 podem ser incorporadas como uma única peça, com o rotor 11 formando assim um disco com pás de uma única peça, ou ainda podem ser formadas separadamente e serem ligadas ao rotor por dispositivos de fixação que são conhecidos genericamente no estado da técnica, tais como fixadores “fir tree”.

[00018] Como mostrado em maior detalhe na figura 2B, cada pá 12 apresenta um sistema de referência tridimensional que tem três eixos ortogonais X, Y e Z. O eixo X é paralelo à linha de centro de rotação A do rotor 11, o eixo Z é tangencial à direção de rotação R das pás 12 ao redor da linha de centro de rotação A, e o eixo Y é um eixo radial em uma direção que intercepta a linha de centro de rotação A. Cada pá 12 compreende uma raiz de pá 13 e uma ponta de pá 14 que são espaçadas separadas por uma altura de parietal h na direção do eixo radial Y. Entre a raiz de pá 13 e a ponta de pá 14, a pá 12 compreende uma pilha de perfis aerodinâmicos 15 em planos perpendiculares ao eixo radial Y, que formam uma aresta dianteira 16 na direção de montante, e uma aresta traseira 17 na direção de jusante, um lado de aspiração 18 e um lado de pressão 19. Em um rotor de compressor ou de ventoinha, a direção de rotação R em operação normal é tal que cada pá 12 move no sentido de seu lado de pressão 19.

[00019] Um tal perfil 15 da pá 12 está mostrado na figura 2C. Cada perfil 15 apresenta uma corda C entre a aresta dianteira 16 e a aresta traseira 17, e um centro de gravidade CG definido como o baricentro geométrico do perfil 5. No campo de pás para turbomáquina, o ângulo de inclinação da linha que passa através dos centros de gravidade CG de perfis sucessivos 15 em relação ao eixo radial Y é utilizado para definir a curvatura e o ângulo tangencial de inclinação de uma pá 12. Assim, quando indo no sentido da ponta da pá 14, esta linha 20 apresenta um ângulo de inclinação -α na direção de montante no plano XY como mostrado na figura 3A, a pá 12 apresenta curvatura para frente. Em contraste, quando esta linha 20 apresentam um ângulo de inclinação α na direção de jusante no mesmo plano, como mostrado na figura 3B, a pá 12 apresenta curvatura para trás. Em maneira similar, o ângulo tangencial de inclinação é definido pelo ângulo de inclinação entre a linha 20 e o eixo radial Y no plano ZY. Assim, quando a linha 20 é inclinada no sentido do lado de aspiração 18 indo no sentido da ponta de pá 14 (e é assim inclinada na direção oposta à direção de rotação R do rotor) a pá 12 apresenta um ângulo tangencial de inclinação -β que é negativo, como mostrado na figura 2C. Em contraste, quando este ângulo de inclinação é no sentido do lado de pressão 19 (e assim na mesma direção como a direção de rotação R do rotor), a pá 12 apresenta um ângulo tangencial de inclinação β que é positivo, como mostrado na figura 3B. Independentemente da curvatura e do ângulo tangencial de inclinação, pás de turbomáquina genericamente apresentam formas que são complexas, com perfis 15 que apresentam um ângulo de ataque, arqueamento, espessura e corda C que pode também variar ao longo do eixo Y.

[00020] Na técnica anterior, e em particular para as pás de rotor de compressores e ventoinhas, foi descoberto que uma configuração com uma curvatura para frente apresenta vantagens aerodinâmicas, em particular quando operando na faixa transônica. Não obstante, tal configuração pode também apresentar desvantagens mecânicas, em particular no caso de a ponta da pá entrar em contato com uma carcaça que circunda o rotor. Como pode ser visto na figura 1, a folga que é genericamente disponível entre as pontas de pá de rotores de ventoinha 2 e de compressores 3, 4 e as carcaças, respectivamente, da ventoinha e do compressor é muito limitada. Especificamente, tal folga conduz a perdas aerodinâmicas nas pontas de pá provocando perdas significativas no rendimento global da turbomáquina. Elas precisam, portanto, ser reduzidas, pelo que, em contraste, aumentando a probabilidade de contato ser feito entre as pontas de pás e a carcaça como um resultado de vibração, ou como resultado de deformação na turbomáquina. Tal contato conduz a uma força transitória sobre a pá em flexão e mesmo se a carcaça apresenta uma zona de desgaste para reduzir esta força, contato periódico em uma frequência próxima a uma frequência ressonante da pá em flexão pode conduzir à ressonância, e mesmo possivelmente à ruptura da pá.

[00021] Este fenômeno é mais pronunciado em pás com uma curvatura para frente, uma vez que com esta forma a flexão de uma pá depois de um primeiro contato corre o risco de tornar piores contatos subsequentes. Esta flexão de uma pá 12 com curvatura para frente e um primeiro modo de vibração em flexão está mostrada de maneira diagramática na figura 4, onde pode ser visto como o deslocamento na direção de montante da ponta de pá 14 em relação à raiz de pá 13 pode piorar contato entre a ponta de pá 14 e uma carcaça quando a pá 12 entra em vibração.

[00022] A figura 5 mostra outra pá 112 em uma primeira modalidade da invenção, que torna possível mitigar esta desvantagem de pás com uma curvatura para frente. Esta pá 112 também tem uma raiz de pá 113, uma ponta de pá 114, uma aresta dianteira 116, uma aresta traseira 117, um lado de pressão 118 e um lado de aspiração 119, e é também constituída de uma pilha de perfis aerodinâmicos 115a sobre a altura de pá h entre a raiz de pá 113 e a ponta de pá 114. Não obstante, entre a ponta de pá 114 e um segmento intermediário 112a com uma curvatura para frente que ocupa aproximadamente 65% da altura de pá h, esta pá 112 apresenta um segmento distal 112b com uma curvatura para trás que ocupa aproximadamente 10% da altura de pá h. Esta curvatura para trás do segmento distal 112b assim reduz o deslocamento da ponta de pá 114 na direção de montante em relação à raiz de pá 113. Além disto, nesta primeira modalidade o segmento distal 112b também apresenta um ângulo tangencial positivo de inclinação que é substancialmente maior do que aquele do segmento intermediário 112a.

[00023] A figura 6A mostra a projeção sobre um plano XY da linha 120 que interconecta os centros de gravidade CG dos perfis 115 desta pá 112. Para ver mais claramente como a posição da linha 120 varia, distâncias ao longo do eixo X estão exageradas em relação às distâncias ao longo do eixo Y. Assim, pode ser visto como a pá apresenta curvatura para frente sobre um segmento intermediário 112a que ocupa aproximadamente 65% da altura de pá h, seguida por uma curvatura para trás sobre o segmento distal 112b situado entre o segmento intermediário 112a e a ponta de pá 114. Assim, neste segmento distal 112b a linha 120 move para trás através de uma distância dx ao longo do eixo X de aproximadamente 1,75% da altura de pá h, com isto reduzindo o deslocamento da ponta de pá 114 na direção de montante, e assim reduzindo o risco de a pá 112 sofrer auto-engatamento dinâmico em seguida a um primeiro contato com a carcaça.

[00024] A figura 6B mostra a projeção da mesma linha 120 sobre um plano ZY, mostrando assim o ângulo tangencial positivo de inclinação β que é substancialmente mais pronunciado sobre o segmento distal 112b do que sobre o segmento intermediário 112a. Para ver mais claramente como a posição da linha 120 varia, distâncias ao longo do eixo Z estão da mesma maneira exageradas em relação a distâncias ao longo do eixo Y. Como uma conseqüência deste ângulo tangencial positivo de inclinação mais pronunciado, a linha 120 avança no sentido do lado de pressão através de uma distância dz ao longo do eixo Z que é igual a aproximadamente 4% da altura de pá h, contribuindo assim, desta maneira, para reduzir o risco de auto- engatamento dinâmico da pá 112. Não obstante, em outras modalidades o ângulo tangencial positivo de inclinação sobre o segmento distal precisa ser mais pronunciado sobre somente no mínimo uma zona do segmento intermediário adjacente ao segmento distal. Assim, as figuras 7A e 7B mostram uma linha 120 que conecta juntos os centros de gravidade dos perfis de uma pá em uma segunda modalidade, como projetada na mesma maneira respectivamente sobre os planos XY e ZY. Como na primeira modalidade, esta pá apresenta curvatura para frente sobre um segmento intermediário 112a que ocupa aproximadamente 65% da altura de pá h, seguida por uma curvatura para trás sobre o segmento distal 112b situado entre o segmento intermediário 112a e a ponta de pá. Assim, como mostrado na figura 7A, no segmento distal 112b a linha 120 move para trás através de uma distância dx ao longo do eixo X igual a aproximadamente 1,25% da altura de pá h, reduzindo assim o deslocamento da ponta de pá na direção de montante e assim reduzindo o risco de auto-engatamento dinâmico da pá em seguida a um primeiro contato com uma carcaça. Não obstante, como mostrado na figura 7B, nesta modalidade o ângulo tangencial positivo de inclinação β não é significativamente mais pronunciado sobre o segmento distal 112b do que sobre uma zona adjacente ao segmento intermediário 112a.

[00025] Embora a presente invenção seja descrita com referência a modalidades específicas, está claro que diversas modificações e mudanças podem ser feitas àquelas modalidades sem ir além do escopo genérico da invenção como definido pelas reivindicações. Por exemplo, em diversas modalidades a curvatura para trás do segmento distal pode fazer com que o centro de gravidade dos perfis de pá mova para trás ao longo do eixo X através de uma distância de até 5% da altura de pá, dependendo da modalidade. O deslocamento dos perfis de pá ao longo do eixo Z como um resultado do ângulo tangencial positivo de inclinação do segmento distal pode ser também até 77% da altura de pá, dependendo destas diversas modalidades. Em adição, características individuais das diversas modalidades mencionadas podem ser combinadas em modalidades adicionais. Consequentemente, a descrição dos desenhos deveria ser considerada em um mesmo sentido que é ilustrativo ao invés de restritivo.

Claims

1. Pá de rotor para turbomáquina (112), caracterizada pelo fato de compreender uma raiz de pá (113) e uma ponta de pá (114) espaçadas separadas por uma altura de pá (h) com pelo menos um segmento intermediário (112a) entre a raiz de pá (113) e a ponta de pás (114) que apresenta curvatura para frente sobre pelo menos 50% da altura de pá (h), e com um segmento distal (112b) com uma curvatura para trás entre o segmento intermediário (112a) e a ponta de pá (114), a pá de rotor para turbomáquina (112) também apresentando um ângulo tangencial positivo de inclinação sobre todo o segmento distal (112b), que é diretamente adjacente à ponta de pá (114).

2. Pá de rotor para turbomáquina (112) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o segmento distal (112a) apresentar um ângulo tangencial positivo de inclinação que é mais pronunciado do que aquele do segmento intermediário (112a).

3. Pá de rotor para turbomáquina (112) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada pelo fato do segmento intermediário (112a) também apresentar um ângulo tangencial positivo de inclinação sobre pelo menos uma zona adjacente ao segmento distal (112b).

4. Pá de rotor para turbomáquina (112) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato do segmento distal (112b) ser diretamente adjacente à ponta de pá (114).

5. Pá de rotor para turbomáquina (112) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato do segmento distal (112b) ocupar pelo menos 5% da altura de pá (h).

6. Pá de rotor para turbomáquina (112) de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato do segmento distal (112b) ocupar pelo menos 8% da altura de pá (h).

7. Pá de rotor para turbomáquina (112) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato do segmento distal (112b) ocupar não mais do que 30% da altura de pá (h).

8. Pá de rotor para turbomáquina (112) de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato do segmento distal (112b) ocupar não mais do que 15% da altura de pá (h).

9. Disco com pás em uma única peça, caracterizado pelo fato de ter uma pluralidade de pás (112) como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.

10. Rotor de compressor, caracterizado pelo fato de ter uma pluralidade de pás (112) como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.

11. Rotor de ventoinha, caracterizado pelo fato de incluir uma pluralidade de pás (112) como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.