BR112014025385B1 - Carcaça para um compressor de motor de turbina, compressor para um motor de turbina, e, motor de turbina - Google Patents

Abstract

CARCAÇA PARA UM COMPRESSOR DE MOTOR DE TURBINA, COMPRESSOR PARA UM MOTOR DE TURBINA, E, MOTOR DE TURBINA. A invenção se refere a uma carcaça para um compressor de motor de turbina compreendendo cavidades (5) na espessura da dita carcaça a partir da face interna da carcaça ao longo de uma circunferência da mesma, ditas cavidades não estando em comunicação uma com outra. As cavidades, que são alongadas e se estendem em uma direção de orientação principal entre duas paredes laterais são fechadas a montante e a jusante por faces a montante e a jusante respectivamente, e uma fronteira a montante (7) e uma fronteira a jusante ( 6) que são formadas nas interseções entre as mesmas e a face interna da carcaça ( 4 ). A carcaça é caracterizada pelo fato de que a fronteira a montante (7) das cavidades (5) tem a forma de uma linha ondulada compreendendo pelo menos duas ondulações alternadas sobre o comprimento entre as ditas paredes laterais.

Description

[0001] O campo da presente invenção é aquele da propulsão e mais particularmente aquele de compressores axiais ou axi-centrífíigos para uma unidade de propulsão (motor de turbojato ou motor turbopropulsor, referidos como motores de turbina no restante da descrição) e mais especificamente a compressores de alta pressão altamente carregados.

[0002] Motores de turbina aeronáuticos consistem principalmente de um ou mais compressores, em que o ar aspirado através da entrada de ar é comprimido, por uma câmara de combustão em que o combustível injetado é queimado, e em seguida por uma turbina em que os gases queimados são expandidos a fim de acionar o compressor ou compressores e finalmente por um dispositivo de ejeção. Os compressores aeronáuticos consistes de aletas, ou pás, que são giradas dentro de uma carcaça que prevê a estanqueidade ao ar do duto de ar em face do exterior do motor. E sabido que a folga que existe entre as extremidades das pás móveis do compressor e a carcaça formando a parede interna do uto de fluxo de ar degrada a eficiência do motor da máquina de turbina. Além disso, esta folga pode em particular modificar e degradar o funcionamento do compressor até que aparece um fenômeno de “surto”, que resulta do desprendimento do fluxo de ar da superfície das pás. Controlar o fluxo de ar na extremidade das pás assim constitui um objetivo essencial para obter tanto boa eficiência aerodinâmica do compressor quanto uma margem suficiente contra o fenômeno de surto.

[0003] Uma abordagem que foi desenvolvida para limitar o impacto deste fluxo indesejado entre a extremidade da pá e a carcaça consiste em vazar cavidades dispostas na parede da carcaça no caminho de passagem da pá. Estas cavidades são colocadas opostas à pá ou preferencialmente deslocadas axialmente, na direção da extremidade a montante do motor, para a finalidade de reinjetar o ar que escoa na folga entre a pá e a carcaça, no duto a montante da pá em questão. Um exemplo de uma tal realização é dado no pedido de patente da requerente que foi publicado sob o número FR 2940374.

[0004] A melhoria trazida por esta realização provém meramente de uma otimização da posição axial das cavidades e a busca por otimização sobre outros parâmetros destas cavidades deve ser prosseguida a fim de tentar melhorar ainda mais a eficiência aerodinâmica e/ou a margem de surto dos compressores existentes.

[0005] O objetivo da presente invenção é portanto propor uma carcaça de compressor dotada de cavidades, com desempenho aerodinâmico ainda mais melhorado.

[0006] Para este fim, a invenção se refere a uma carcaça para um motor de turbina compreendendo cavidades vazadas, de modo a não se comunicar uma com outra, na espessura da dita carcaça a partir de sua face interna e dispostas paralelas uma a outra sobre uma circunferência de dita carcaça, ditas cavidades tendo uma forma alongada em uma direção de orientação principal entre duas paredes laterais e sendo fechadas para a extremidade a montante e para a extremidade a jusante por uma face a montante e por uma face a jusante respectivamente, cujas interseções com a face interna da carcaça formam uma fronteira a montante e uma fronteira a jusante respectivamente, caracterizada pelo fato de que a fronteira a montante destas cavidades tem a forma de uma linha ondulada compreendendo pelo menos duas ondulações alternadas sobre seu comprimento situado entre ditas paredes laterais.

[0007] A presença de uma linha ondulada promove a mistura do ar reinjeção com o ar principal e assim melhora a eficiência e/ou a margem de surto do estágio relevante do compressor usando dita carcaça.

[0008] Vantajosamente ditas paredes laterais convergem uma para outra enquanto são dirigidas de a jusante para a montante. Esta configuração acelera o ar que escoa entre a pá e a carcaça e melhora sua reinjeção no duto, o que, também, resulta em uma melhoria na eficiência e/ou na margem de surto do estágio relevante.

[0009] Em uma realização particular a linha ondulada é uma linha quebrada em ziguezague, consistindo de segmentos formando entre si alternadamente ângulos salientes e ângulos reentrantes, t

[00010] Preferencialmente a face a montante de ditas cavidades é formada por uma sucessão de dentes estendendo-se, radialmente, entre a fronteira a montante e o fundo da cavidade e, axialmente, alternadamente para a extremidade a montante e para a extremidade a jusante de dita cavidade.

[00011] Vantajosamente, a face a jusante tem um formato convexo. Isto facilita a aspiração do ar a jusante da cavidade.

[00012] Em uma realização particular as cavidades são distribuídas regularmente sobre a circunferência da carcaça.

[00013] Em uma realização alternativa as cavidades são distribuídas irregularmente sobre a circunferência da carcaça.

[00014] A invenção também ser refere a um compressor para um motor de turbina compreendendo uma carcaça como descrita acima e um motor de turbina compreendendo um tal compressor.

[00015] A invenção vai ser melhor entendida, e outros objetivos, detalhes, aspectos e vantagens da mesma vão emergir mais claramente durante a seguinte descrição explicativa detalhada de uma realização da invenção dada a título de exemplo puramente ilustrativo e não limitativo, com referência aos desenhos esquemáticos anexos.

[00016] Nos desenhos:- A Fig. 1 é um corte transversal esquemático de um estágio compressor, cuja carcaça tem uma cavidade para recircular o ar que escoa entre a pá e a carcaça.- A Fig. 2 é uma vista em planta esquemática de uma pá de rotor e uma carcaça de acordo com a técnica anterior. - Fig. 3 é uma vista em planta esquemática de uma pá de rotor e uma carcaça de acordo com uma realização da invenção.- A Fig. 4 é uma vista esquemática do recorte de uma cavidade em uma carcaça de acordo com a invenção.- A Fig. 5 é uma vista em perspectiva das cavidades recortadas em uma carcaça de acordo com a invenção.

[00017] Com referência à Fig. 1, um estágio compressor pode ser visto compreendendo uma pá de estator, ou pá fixa 2, posicionada a montante de uma pá de rotor, ou pá móvel 1, fixada a um disco 3 (ou presa diretamente a este disco de acordo com uma tecnologia conhecida como tecnologia de disco com pás monobloco). As pás fixas são mantidas no lugar por fixação sobre uma carcaça de compressor 4, que circunda as pás móveis 1, deixando uma folga pré-defmida com elas.

[00018] A carcaça 4 é vazada, a partir de sua face interna, com múltiplas cavidades 5, que não se comunicam uma com outra, que são regularmente dispostas sobre sua circunferência, opostas ao caminho de passagem das pás móveis 1. Estas cavidades têm, grosseiramente, a forma de um paralelepípedo retângulo que é afundado radialmente na carcaça e tem, em seção transversal em um plano axial, a forma de um retângulo com vértices arredondados. Seu formato, em seção transversal em um plano tangente à circunferência da carcaça 4, é, quanto a ele, substancialmente aquele de um retângulo alongado estendendo-se ao longo de dois lados maiores e compreendendo, a montante e a jusante, dois lados menores formando as chamadas fronteiras a montante 7 e a jusante 6. Deve ser notado que na técnica anterior estas duas fronteiras são convencionalmente segmentos de uma linha reta.

[00019] Como pode ser visto na Fig. 1, as cavidades são deslocadas para a extremidade a montante do motor, com respeito à borda de ataque da pá móvel 1. O comprimento pelo qual o lado a montante 7 da cavidade se projeta com respeito à borda de ataque 11 das pás é porém limitado pelo espaço existente entre a roda de pás móveis 1 e a roda de pás fixas 2. Por causa da implantação destas cavidades, o ar parasita é aspirado em uma certa porcentagem da corda da pá e é reinjetado no duto a montante da pá. Esta configuração permite recirculação de ar que passa na folga entre a pá 1 e a carcaça 4; esta folga pode na verdade ser o sítio de violentas turbulências que iriam perturbar a configuração do fluxo entre os vários estágios e que portanto poderiam causar degradação do desempenho do compressor ou, no extremo, causar um fenômeno chamado de “surto ou “desprendimento”. Este fenômeno é caracterizado por uma queda instantânea na razão de compressão e uma inversão transiente do fluxo de ar passando através do compressor, que então emerge através da extremidade a montante do compressor.

[00020] Com referência agora às Figs. 2 e 3, a posição circunferencial de uma série de cavidades 5 alinhadas ao longo da carcaça 4 pode ser vista.de acordo com a técnica anterior e de acordo com a invenção respectivamente. O número de cavidades é muito superior ao número de pás 1 constituindo a roda móvel do estágio compressor. Este número fica na prática entre 2 e 4 vezes o número de pás móveis 1. A distribuição circunferencial das cavidades, como mostrado nas figuras, é uma disposição uniforme; foi ainda já proposto tornar esta disposição irregular a fim de quebrar a excitação aerodinâmica sobre ás que poderia ser causada por estas cavidades, em particular nas extremidades de cada uma das duas semi-coquilhas que constituem a carcaça.

[00021] Na Fig. 2, que é a técnica anterior, o recorte formado pelas cavidades 5 na sua interseção com a face interna da carcaça 4 tem um formato substancialmente retangular com os dois lados maiores, substancialmente paralelos. Por outro lado, na Fig. 3, que mostra uma realização da invenção, o recorte das cavidades rem um formato trapezoidal, com dois lados menores na extremidade a montante e na extremidade a jusante que são substancialmente paralelos e dois lados maiores que são convergentes para a extremidade a montante, de modo que a fronteira a jusante 6 tem um comprimento maior do que aquele da fronteira a montante 7.

[00022] A Fig. 4 mostra em detalhe o formato do recorte de uma cavidade 5 em uma carcaça 4, de acordo com a invenção, na face interna da carcaça 4. Enquanto o lado menor a jusante, ou seja, a fronteira a jusante 6, é, como na técnica anterior, retilínea, o lado menor a montante, ou seja, a fronteira a montante 7, não o é, mas tem a forma de divisas que se desenvolvem sobre cada lado da linha circunferencial que liga as fronteiras a montante das várias cavidades 5.

[00023] A Fig. 5 mostra, em perspectiva e em relevo, a forma das cavidades 5 e sua posição relativa com respeito a uma roda de pás móveis 1, no caso de uma carcaça 4 de acordo com a invenção. A face frontal do que forma a cavidade 5 é ondulada na forma de divisas que se estendem ao longo de toda a face frontal da cavidade, tendo origem no fundo da cavidade e terminando em uma linha em ziguezague na face interna da cavidade 4 e na fronteira a montante 7.

[00024] A contribuição da invenção vai agoira ser explicada lembrando primeiramente todo o princípio de operação dos tratamentos de carcaças por implantação das cavidades 5 na sua espessura. Dois efeitos aerodinâmicos são combinados: em primeiro lugar, a aspiração do ar na borda de ataque no topo do rotor toma possível contrariar o desenvolvimento do vórtice de folga entre o rotor e a carcaça, que ganha em eficiência e no limite de estabilidade; em segundo lugar, a reinjeção de ar a montante da roda móvel toma possível, através de uma reenergização de camada limite, ganhar no limite de estabilidade, e portanto na margem de surto.

[00025] E considerado em geral que é necessário levar em conta três parâmetros particulares para obter o melhor resultado com um tratamento de carcaça por incorporação de cavidades 5. O primeiro trata da posição axial da extremidade a jusante da cavidade, que define o ponto onde o ar é aspirado, o segundo, da posição axial da extremidade a montante da cavidade, que define o ponto onde o ar é reinjetado, e o terceiro, o volume da cavidade, que determina a quantidade de ar retirado e reinjetado, e portanto a eficácia do tratamento da carcaça. Porém, é também necessário levar em conta um ponto que influencia diretamente a eficácia o tratamento da carcaça e que trata da qualidade da reinjeção do ar a montante da roda móvel. Em particular, em primeiro lugar, a velocidade de reinjeção deve sertão alta quanto possível a fim de obter o melhor aperfeiçoamento na margem de surto, e, em segundo lugar, o ar reintroduzido no duto deve ser misturado o melhor possível com o fluxo principal, na falta de que há um risco de causar perdas de eficiência.

[00026] Para lidar com estes dois pontos, a invenção propõe, primeiramente, ter cavidades 5 cuja largura é variável e que se estreitam lateralmente de a jusante para a montante. Manter uma grande largura para a cavidade para a extremidade a jusante é importante a fim de aspirar no ar de recirculação sob boas e condições e para impedir o aparecimento de um vórtice de folga; e a redução da dimensão da t cavidade para a extremidade a montante aumenta a velocidade do ar que vai ser reinjetado no duto. Em seguida, a disposição em divisas melhora a misturação do ar reinjetado com o ar principal, da mesma maneira que divisas sobre o bocal de um motor de turbina melhoram a misturação entre o ar quente descarregado do fluxo primário e o ar frio descarregado do fluxo secundário.

[00027] Com estas disposições feitas sobre as cavidades 5 de uma carcaça de compressor 4, a eficácia de aspiração do vórtice de folga é melhorada e assim, além de um aumento na margem de surto, uma ligeira melhoria na eficiência do estágio do compressor é obtida.

Claims (9)

1. Carcaça para um compressor de motor de turbina compreendendo cavidades (5) vazadas, de modo a não se comunicar uma com outra, na espessura da dita carcaça a partir de sua face interna e dispostas paralelas uma a outra sobre uma circunferência de dita carcaça (4), ditas cavidades tendo uma forma alongada em uma direção de orientação principal entre duas paredes laterais e sendo fechadas para a extremidade a montante e para a extremidade a jusante por uma face a montante e por uma face a jusante respectivamente, cujas interseções com a face interna da carcaça (4) formam uma fronteira a montante (7) e uma fronteira a jusante (6) respectivamente, caracterizada pelo fato de que a fronteira a montante (7) destas cavidades (5) tem a forma de uma linha ondulada compreendendo pelo menos duas ondulações alternadas sobre seu comprimento situado entre ditas paredes laterais.

2. Carcaça para um compressor de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que ditas paredes laterais convergem uma para outra enquanto são dirigidas de a jusante para a montante.

3. Carcaça para um compressor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a linha ondulada é uma linha quebrada em ziguezague, consistindo de segmentos formando entre si alternadamente ângulos salientes e ângulos reentrantes.

4. Carcaça para um compressor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a face a montante de ditas cavidades é formada por uma sucessão de dentes estendendo-se, radialmente, entre a fronteira a montante (7) e o fundo da cavidade (5) e, axialmente, alternadamente para a extremidade a montante e para a extremidade a jusante de dita cavidade.

5. Carcaça para um compressor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a face a jusante tem um formato convexo.

6. Carcaça para um compressor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que as cavidades (5) são distribuídas regularmente sobre a circunferência da carcaça (4).

7. Carcaça para um compressor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que a cavidades (5) são distribuídas irregularmente sobre a circunferência da carcaça (4).

8. Compressor para um motor de turbina, caracterizado pelo fato de que compreende uma carcaça como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 7.

9. Motor de turbina, caracterizado pelo fato de que compreende um compressor como definido na reivindicação 8.

Images