BR112014025631B1 - Compressor para um motor de turbina, e, motor de turbina - Google Patents

Abstract

compressor para um motor de turbina, e, motor de turbina. a invenção se refere a um compressor para um motor de turbina, compreendendo: uma carcaça, pelo menos um estágio compressor formado por uma roda tendo pás fixas e uma roda tendo pás móveis (1) posicionadas a jusante da roda com pás fixas, e cavidades (5) na espessura da carcaça que são dispostas ao longo de uma circunferência de dita carcaça (4) oposta às pás móveis (1). as cavidades, que são alongadas e estendem ao longo de uma direção de orientação principal, 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) são formadas nas interseções entre as mesmas e a carcaça. as cavidades são deslocadas em relação as pás móveis (1) de modo a superpor a roda de ás móveis na porção a montante, deste modo cobrindo a sua extremidade a montante. a carcaça é caracterizada pelo fato de a fronteira a jusante (6) das cavidades (5) é orientada paralela à corda na cabeça da pá móvel (1).

Description

[0001] O campo da presente invenção é aquele da propulsão e mais particularmente aquele de compressores axiais ou axi-centrífugos 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 final mente 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 um compressor para um motor de turbina compreendendo uma carcaça, pelo menos um estágio compressor consistido de uma roda de pás fixas e uma roda de pás móveis posicionada a jusante de dita roda de pás fixas, e cavidades vazadas, de modo a não se comunicar uma com outra, na espessura de dita carcaça a partir de sua face interna e dispostas paralelas uma a outra sobre uma circunferência de dita carcaça oposta ao caminho de passagem das pás móveis, ditas cavidades tendo um formato alongado em uma direção de orientação principal e sendo fechadas para o lado a montante e para o lado a jusante por uma face a montante e por uma face a jusante respectivamente, cujas interseções com a carcaça formam uma fronteira a montante e uma fronteira a jusante respectivamente, ditas cavidades sendo deslocadas em relação às pás móveis de modo a se projetar para o lado a montante da roda de pás móveis enquanto sobre a sua extremidade montante, caracterizado pelo fato de que a fronteira a jusante destas cavidades é orientada paralela à corda na cabeça da pá móvel.

[0007] O paralelismo entre a fronteira a jusante das cavidades e a corda da pá, criando um efeito de empuxo que chega no mesmo momento sobre toda a região a jusante da cavidade, causa uma redução n vórtice de folga associado com a passagem da pá e proporciona um aumento da margem de surto e uma ligeira melhoria na eficiência do estágio compressor.

[0008] Vantajosamente, a direção de orientação de ditas cavidades é perpendicular àquela da corda das pás móveis. O formato substancialmente paralelepipédico das cavidades toma possível usar plenamente o efeito e empuxo indicado acima.

[0009] Em uma realização particular as cavidades são distribuídas regularmente sobre a circunferência de carcaça.

[00010] Em uma outra realização as cavidades são distribuídas irregularmente sobre a circunferência da carcaça.

[00011] A invenção também se refere a um motor de turbina compreendendo um compressor como descrito acima.

[00012] 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. 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 comparativa do posicionamento de uma cavidade e uma pá na invenção e na técnica anterior. - A Fig. 5 é uma vista em perspectiva das cavidades e pás de um rotor de acordo com a técnica anterior. - A Fig. 6 é uma vista em perspectiva das cavidades e pás de um rotor de acordo com a invenção.

[00013] 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 I, 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-definida com elas.

[00014] 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. Estas duas fronteiras são convencionalmente segmentos de uma linha reta.

[00015] 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 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.

[00016] 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. O número de cavidades é muito superior ao número de pás l 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 semicoquilhas 44 que constituem a carcaça.

[00017] Na Fig. 2, que ilustra a técnica anterior, o eixo destas cavidades é ligeiramente inclinado em relação à direção longitudinal do motor, definida como o eixo de rotação da roda móvel 1 e ilustrada por uma seta na figura. Por outro lado, na Fig. 3, que mostra uma realização da invenção, as cavidades 5 são posicionadas com a orientação principal de seus lados maiores consideravelmente mais tangencial do que na Fig. 2, e que é caracterizada por um ângulo de ajuste perpendicular à corda das pás móveis 1. A corda de uma pá é definida como sendo a linha reta unindo sua borda de ataque à sua borda de fuga. E, como a cavidade tem, no exemplo ilustrado, um formato substancialmente paralelepipédico, a fronteira a jusante 6 da cavidade 5 é alinhada com esta corda das pás móveis.

[00018] Como resultado, como pode ser visto Fig. 4, a dimensão axial das cavidades é consideravelmente reduzida com respeito à técnica anterior (ilustrada em linhas interrompidas na figura). Entre as consequências benéficas desta configuração está, em primeiro lugar, o fato de que a massa adicional devida ao espessamento da carcaça em linha com as cavidades é menor. É necessário na verdade reforçar a carcaça 4 em linha com estas cavidades 5 a fim de levar em conta seu impacto sobre a resistência mecânica da carcaça. É constatado, em segundo lugar, uma redução no risco de interação aerodinâmica da cavidade 5 com a pá fixa 2 precedente à roda móvel 1; uma tal interação vai ter o efeito de uma redução na melhoria do desempenho propiciada pela cavidade.

[00019] As Figs. 5 e 6 mostram em perspectiva, e em recesso, a posição relativa das cavidades 5 com respeito a uma roda de pás móveis 1, na técnica anterior e de acordo com a invenção respectivamente. Como antes, pode ser visto que a invenção é caracterizada por uma orientação da direção principal da cavidade 5 que é perpendicular àquela da corda das pás móveis 1. Para levar em conta o caso em que a cavidade 5 não tem a forma de um paralelepípedo retângulo com formados arredondados, como ilustrado nas figuras, o aspecto principal da invenção é definido prioritariamente como um paralelismo entre a fronteira a jusante 6 da cavidade 5 e a corda da pá 1. A fronteira a jusante de uma cavidade, quanto ela não é retilínea, é quanto a ela definida como o segmento de linha reta conectando os pontos extremos a jusante dos lados maiores formando a interseção da cavidade com a parede interna da carcaça 4.

[00020] A contribuição da invenção vai agora ser explicada lembrando primeiro de tudo o princípio de operação dos tratamentos de carcaças implantando 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 torna possível contrariar o desenvolvimento do vórtice de folga entre o rotor e a carcaça, que ganha em eficiência e no limite de estabilidade contra o fenômeno de surto; em segundo lugar, a reinjeção de ar a montante da roda móvel toma possível, através de uma re-energizaçào da camada limite, ganhar no limite de estabilidade, e portanto na margem de surto.

[00021] 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.

[00022] A invenção buscou primeiramente reduzir a extensão axial das cavidades e por esta razão analisou a influência do ajuste destas sobre o desempenho do compressor. A redução no traçado axial da cavidade aumentando o ajuste causa uma aproximação tanto do lado a jusante da cavidade quanto do ponto de reinjeção da borda de ataque 11, mas isto é feito aqui preservando o volume da cavidade, o que toma possível manter a eficácia associada com o tratamento da carcaça através de uma implantação de cavidades.

[00023] A invenção então se propôs a determinar o ângulo ótimo de inclinação para o ajuste das cavidades. Isto é porque um ângulo excessivamente grande tende a se reaproximar demais o ponto de retirada da borda de ataque da pá, e portanto fazer isto em um ponto onde a diferença de pressão entre a face de pressão e a face de aspiração ainda não é grande, o que vai impedir que o vórtice de folga vá se desenvolver um pouco mais a jusante. Igualmente, a reinjeção de ar vai ser muito próxima da borda de taque, e a mistura entre o ar principal a montante ar e o ar reinjetado (tangencialmente) não vai ser ainda estabelecida na borda de ataque da pá, o que iria ser prejudicial do ponto de vista da estabilidade do fluxo. Finalmente, uma cavidade excessivamente inclinada iria levar a um ângulo excessivamente grande de reinjeção do ar, ou seja a uma velocidade axial do ar reinjetado que é muito baixa, prejudicando a sua eficácia.

[00024] Foi constatado que o ângulo de ajuste ótimo da cavidade é aquele que toma possível ter a fronteira a jusante 6 da cavidade 5 alinhada com o ajuste da pá móvel 1. A explicação deste ótimo pode ser dada pelo fato de que, quando a pá passa acima da cavidade, a pá “impele” o fluxo de ar para dentro da cavidade. Ter uma fronteira a jusante alinhada com o ajuste da pá toma possível ter este primeiro efeito que chega no mesmo momento sobre todas as regiões a jusante da cavidade. Isso causa um empuxo mais efetivo no momento ótimo, quando a pá passa no lado a jusante da cavidade, e este efeito de empuxo causa a redução no vórtice de folga associado com a passagem da pá.

[00025] Finalmente, a invenção representa em primeiro lugar uma otimização da posição axial do início e fim da cavidade em relação à borda de ataque da pá, associada com a manutenção de um volume suficiente da cavidade para assegurar eficácia do tratamento da carcaça, e, em segundo lugar, uma redução na dimensão axial das cavidades, cujo efeito é uma limitação sobre a espessura em excesso da carcaça necessária para a integração destas.

Claims (5)

1. Compressor para um motor de turbina compreendendo uma carcaça (4), pelo menos um estágio compressor consistindo de uma rodas de pás fixas (2) e uma roda de pás móveis (1) posicionadas a jusante de ditas rodas de pás fixas (2), e cavidades (5) vazadas, de modo a não se comunicar uma com a outra, na espessura de dita carcaça a partir de sua face interna e dispostas paralelas uma a outra sobre uma circunferência de dita carcaça (4) oposta ao caminho de passagem das pás móveis (1), ditas cavidades tendo um formato alongado em uma direção de orientação principal e sendo fechadas para o lado a montante e para o lado a jusante por uma face a montante e por uma face a jusante respectivamente, cujas interseções com a carcaça formam uma fronteira a montante (7) e uma fronteira a jusante (6) respectivamente, ditas cavidades sendo deslocadas com respeito às pás móveis (1) de modo a se projetar para o lado a montante da roda de pás móveis enquanto cobre a sua extremidade a montante, caracterizado pelo fato de que a fronteira a jusante (6) destas cavidades (5) é orientada paralela à corda na cabeça da pá móvel (1)-

2. Compressor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a direção de orientação de ditas cavidades é perpendicular àquela da corda na cabeça das pás móveis (1).

3. Compressor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que cavidades (5) são distribuídas regularmente sobre a circunferência da carcaça (4).

4. Compressor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que as cavidades (5) são distribuídas irregularmente sobre a circunferência da carcaça (4).

5. Motor de turbina, caracterizado pelo fato de que compreende um compressor como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes.

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