BR112014026081B1

BR112014026081B1 - Turborreator com ventilador dianteiro

Info

Publication number: BR112014026081B1
Application number: BR112014026081-8A
Authority: BR
Inventors: Moez Bensaied; Francis Pottier; Romain Tabart; Jean-Jacques Charrier; Marc MISSOUT; Stéphane Ribeiro
Original assignee: Labinal Power Systems; Snecma
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2021-12-14
Also published as: CA2870766C; EP2859208B1; CA2870766A1; CN104246176B; FR2989734A1; RU2014144370A; FR2989734B1; WO2013160602A1; RU2631847C2; US9638105B2; EP2859208A1; US20150082804A1; BR112014026081A2; CN104246176A

Abstract

turborreator com ventilador dianteiro. a presente invenção refere-se a um turborreator com ventilador dianteiro compreendendo pelo menos um circuito de fluido e um trocador ar/fluido (40) pelo qual o dito fluido é resfriado pelo ar exterior ao turborreator e um bico (3) de separação do fluxo à jusante do ventilador entre um fluxo primário e um fluxo secundário, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor (40) é associado a um gerador termoelétrico (46) compreendendo uma primeira (47) e uma segunda (48) superfícies de troca térmica cuja primeira superfície está em contato térmico com o dito fluxo de ar e a segunda superfície está em contato térmico com o fluido a resfriar no trocador (40).

Description

[0001] A presente invenção refere-se às turbomáquinas utilizadas notadamente no domínio aeronáutico, à propulsão de aeronaves. Ela visa em particular à aplicação de geradores termoelétricos nas mesmas.

Técnica Anterior

[0002] Uma turbomáquina como um turborreator, para a propulsão de aeronaves é geralmente de múltiplos eixos e múltiplo fluxo. O turborreator representado na figura 1 compreende, por exemplo, para um motor com duplo fluxo, de montante à jusante, uma nacela com uma luva de entrada de ar guiando o ar aspirado em direção ao rotor de ventilador 2 à jusante do qual e a nível de um bico 3 de separação de fluxos, o fluxo de ar comprimido é dividido em dois fluxos anulares, concêntricos: um fluxo central primário Fp e um fluxo secundário Fs radialmente exterior ao fluxo primário. O fluxo secundário é guiado em um canal de derivação 4, endireitado em 5 no eixo XX do motor, para ser ejetado e produzir uma parte considerável do empuxo do motor sem, todavia, ter sido aquecido. No exemplo da figura 1, os fluxos primário e secundário são ejetados separadamente. O fluxo primário Fp é guiado através do corpo central 6 que produz a energia necessária para o acionamento do rotor de ventilador 2. O corpo central 6 é uma unidade com turbina a gás que compreende uma secção de compressão 7, de baixa e elevada pressão, alimentando, com ar comprimido, uma câmara de combustão 8 onde o combustível é injetado e onde são produzidos os gases de combustão motores cuja energia é convertida em parte pela secção de turbina 9. Os rotores de turbina são ligados mecanicamente aos rotores dos compressores, incluindo o ventilador e acionando os mesmos em rotação.

[0003] O peso e o consumo de combustível sendo os dois fatores penalizantes no domínio aeronáutico, procura-se permanentemente reduzir a massa dos componentes por um lado e valorizar a energia dissipada não transformada em energia mecânica, por outro lado.

[0004] Células termoelétricas são conhecidas e, ao serem dispostas entre duas fontes de calor apresentando um gradiente de temperatura, uma quente, outra fria, são aptas a transformar a energia térmica que atravessa as mesmas em energia elétrica. Um exemplo pode ser encontrado no pedido de patente alemão DE 10 2008 055946 A1, onde tais células são instaladas em um circuito de óleo ou de resfriamento de um motor térmico.

[0005] Na figura 2, representou-se um exemplo de célula termoelétrica 10. Ela compreende dois elementos semicondutores 11 e 12, respectivamente dopados de tipo N e de tipo P. Estes dois elementos são ligado, de um lado, por uma conexão elétrica 13 e são terminados cada um do outro lado por outra conexão elétrica formando os terminais 14 e 15. A célula é montada entre dois suportes 16 e 17 isolantes eletricamente, mas condutores termicamente. Combina-se uma pluralidade de células entre os suportes 16 e 17 conectando os mesmos eletricamente em série pelos terminais 14 e 15; as células são assim dispostas em paralelo termicamente e formam um módulo gerador termoelétrico, designado a seguir GTE.

[0006] Tal módulo GTE quando é instalado entre duas fontes de calor, uma quente em temperatura elevada, em contato térmico com o suporte 16, o outra fria em temperatura inferior, em contato com o outro suporte 17, é susceptível de produzir uma corrente elétrica entre os terminais 14 e 15 onde os terminais são colocados em série. A eficácia do módulo GTE depende de vários fatores cuja natureza dos materiais constituindo os semicondutores, o número de junções PN, a sua seção, sua geometria, sua espessura e, para um módulo dado, a diferença de temperatura entre a fonte quente e a fonte fria.

[0007] Já foi proposto valorizar a energia dissipada em um motor a turbina a gás e, mais particularmente, um turborreator.

[0008] Assim a empresa Turboméca desenvolveu uma disposição de geradores termoelétricos em um motor a turbina a gás propulsor de uma aeronave, descrita no pedido de patente WO 2010/089505. Ela é formada de elementos anulares concêntricos compreendendo, cada, uma pluralidade de células termoelétricas. Os elementos anulares arranjam, entre eles, os canais de circulação de gás frio e os canais de circulação de gases quentes. Os canais são também concêntricos e comunicantes. Um fluido frio varre uma face de cada um dos elementos e um fluido quente varre a face oposta destes elementos. Os fluidos, susceptíveis de ser utilizados respectivamente como fonte fria ou quente, podem ser o combustível do motor, seu óleo de resfriamento ou de lubrificação, o ar externo, o ar retirado do compressor ou gases retirados do fluxo de gás ejetado à jusante da turbina.

[0009] A energia elétrica produzida por este dispositivo é utilizada para alimentar os acessórios do motor como, por exemplo, o Fadec ou as bombas acionadas por motores elétricos.

[00010] Foram também propostas outras utilizações de GTE, por exemplo, nos pedidos de patente alemão DE 10 2007 036930 A1 e norte-americana US 2009/159110 A1, para recuperar o calor perdido no nível da turbina ou do compressor colocando-se as superfície de troca térmica de um GTE entre o fluxo primário e o fluxo secundário.

Apresentação da Invenção

[00011] A presente invenção visa outra aplicação dos GTE nos motores de aeronave.

[00012] Assim, a invenção tem por objeto um turborreator com ventilador dianteiro compreendendo pelo menos um circuito de fluido e um trocador ar/fluido pelo qual o fluido é resfriado pelo ar exterior ao turborreator e um bico de separação do fluxo à jusante do ventilador entre um fluxo primário e um fluxo secundário.

[00013] O turborreator é caracterizado pelo fato de que o trocador de calor compreende pelo menos um gerador termoelétrico, compreendendo uma primeira e uma segunda superfícies de troca térmica, das quais a primeira superfície está em contato térmico com o fluxo de ar e a segunda superfície está em contato térmico com o fluido a resfriar, com a primeira superfície do gerador térmico formando um elemento de parede do bico de separação situado à jusante da borda de ataque do bico de separação dos fluxos de ar, do lado da veia de fluxo secundário.

[00014] O fluido a resfriar, óleo principalmente, é proveniente dos órgãos e dos equipamentos do motor que dissipam o calor resultante dos atritos internos e que têm uma necessidade de lubrificação e de resfriamento. Trata-se, por exemplo, dos recintos de rolamentos das diferentes árvores giratórias e das engrenagens de acionamento dos auxiliares.

[00015] O elevado gradiente de temperatura entre os fluidos assim a resfriar e o ar circulando na veia à jusante do ventilador contribui, aliás todos os outros aspectos sendo iguais, para assegurar uma eficácia ótima dos geradores termoelétricos.

[00016] Além disso, a disposição do gerador térmico no nível do bico de separação permite reduzir as perdas de carga aerodinâmica susceptíveis de serem geradas pelos elementos do trocador em contato com o fluxo de ar. Eventualmente, a primeira superfície do GTE pode ser integrada à estrutura da parede da nacela, esta sendo condutora termicamente.

[00017] A solução da invenção permite, portanto, contribuir para o resfriamento destes fluidos recuperando, ao mesmo tempo, uma parte da energia térmica que teria sido perdida diferentemente. A energia elétrica produzida é uma função da extensão da superfície da fonte fria, sendo utilizada com vantagem para alimentar os órgãos como os acionadores das pás do estator dos retificadores com geometria variável dispostos entre os estágios do compressor, designados VSV no domínio e as válvulas de descarga dos compressores, designadas VBV.

[00018] Mais particularmente, é vantajoso instalar a primeira superfície à montante das aletas fixas de guia arranjadas para redirecionar o fluxo de ar secundário. Com efeito, dispõe-se de um espaço suficiente nesta zona definida entre a borda de ataque do bico de separação e as aletas de guia, designadas OGV para “outlet guide vanes”.

[00019] De acordo com outro modo de realização, o elemento de parede do bico de separação disposto à jusante da aresta de separação dos fluxos de ar compreende aletas radiais em troca térmica com o fluxo de ar secundário. Esta solução, embora menos eficiente aerodinamicamente, permite aumentar as trocas térmicas entre os geradores termodinâmicos e o fluxo de ar secundário quando isto demonstra ser necessário.

Breve Descrição das Figuras

[00020] A invenção será melhor compreendida, e outros objetivos, detalhes, características e vantagens da mesma aparecerão mais claramente na descrição explicativa detalhada seguinte, de um modo de realização da invenção dado a título de exemplo meramente ilustrativo e não limitativo, em referência aos desenhos esquemáticos em anexo, onde:a figura 1 mostra em corte em um plano passando pelo eixo da máquina, um turborreator de duplo fluxo sobre o qual a invenção pode ser realizada;a figura 2 representa de modo esquemático um exemplo de célula termoelétrica podendo ser utilizada na invenção;a figura 3 mostra em corte uma vista parcial do bico de separação do turborreator da figura , ao qual de acordo com a invenção um dispositivo termoelétrico é aplicado;a figura 4 é uma variante de instalação em relação à da figura 3. Descrição Detalhada da Invenção

[00021] Com referência à figura 1, o fluxo de ar comprimido pelo ventilador 2 é dividido em dois fluxos concêntricos anulares, primário e secundário, passando pelo bico 3 de separação de fluxo. O fluxo de ar primário é assim guiado por aletas de guia, designadas IGV e não representadas, no corpo central e o fluxo secundário é guiado no canal de fluxo frio delimitado entre, interiormente, o envelope do corpo central e exteriormente da nacela de ventilador.

[00022] O fluxo de ar anular proveniente do ventilador é dividido nos dois fluxos concêntricos pela borda à montante anular da nacela do corpo central 6 e formando o bico 3 de separação de fluxo, representado em maior escala na figura 3.

[00023] O bico de separação é de seção, em um plano radial contendo o eixo XX do motor, sensivelmente triangular; ele compreende uma porção de parede 32 se estendendo para à jusante, desde a linha de aresta anular parte à montante, formando a borda de ataque 31. Esta porção de parede delimita, radialmente interiormente, a parte à montante da veia de fluxo secundário. Ela prolonga-se ao longo da veia secundária após as aletas 5 de guia, OGV, dispostas para redirecionar no eixo XX o fluxo secundário.

[00024] O bico de separação de fluxo compreende, desde a borda de ataque 31, uma porção de parede 33 que delimita radialmente uma parte à montante da veia de fluxo primário.

[00025] Este bico de separação dispõe, assim, um espaço, entre os dois elementos de parede 32 e 33, cujo volume é suficiente para alojar um trocador de calor ar/óleo.

[00026] Representou-se na figura 3 um exemplo de disposição de trocador incorporando um gerador termoelétrico.

[00027] O trocador 40 compreende um recinto 41 percorrido pelo fluido a resfriar e disposto entre duas paredes 44 e 45 paralelas entre si ao longo da face interna do elemento de parede 32 da veia secundária. O fluido penetra neste recinto por uma entrada 42 se comunicando com o circuito por um conduto tubular. No interior do recinto 41 é disposto um circuito assegurando uma troca térmica ótima com a parede radialmente exterior 44. O recinto compreende uma saída de fluido 43 se comunicando por um conduto tubular com o circuito de fluido. Os canais internos do recinto formam, por exemplo, uma serpentina em direção principal axial ou periférica.

[00028] A parede radialmente exterior 44 está em contato térmico com um módulo gerador termoelétrico 46 e forma a fonte quente do mesmo. O módulo gerador termoelétrico compreende uma pluralidade de células termoelétricas, como descritas na figura 2, estas sendo montadas entre duas paredes termicamente condutoras 47 e 48. A parede 48 está em contato térmico com a parede radialmente exterior 44 do recinto 40 percorrido pelo fluido a resfriar.

[00029] A parede oposta 47 do módulo GTE é integrada à parede 32 interna da veia de fluxo secundário ou está em contato térmico com um elemento de parede constituindo a nacela do corpo central 6. a parede está, portanto, na temperatura do ar do fluxo secundário Fs.

[00030] O módulo escolhido depende da superfície disponível para a implantação de GTE. Os parâmetros a levar em consideração são os materiais que compõem o mesmo, o número de junção PN, sua secção, sua geometria, e sua espessura. Visa-se preferivelmente um módulo cuja resistência térmica seja tão baixa como possível para não diminuir o rendimento do trocador de calor.

[00031] Em funcionamento do motor quando a aeronave está em voo, o desvio de temperatura entre as duas paredes 47 e 48 cria uma diferença de potencial entre os terminais dos elementos semicondutores, fornecendo uma corrente elétrica. A corrente elétrica em 49 pode ser distribuída aos órgãos do turborreator com alimentação elétrica.

[00032] Na figura 4, representou-se uma variante de realização. Os mesmos elementos que os da figura 3 recebem a mesma referência mais 100.

[00033] O trocador de calor 140 compreende uma entrada de fluido 142 e uma saída de fluido 143 entre as paredes 144 e 145 do recinto 141 que é disposto em contato térmico com o gerador termoelétrico 146. A parede quente 148 do GTE 146 está em contato térmico com a parede 144 do trocador. A parede fria 147 do GTE está em contato térmico com as aletas 150 que se estendem radialmente desde a parede 32 do bico de separação 3.

[00034] Como previamente, a corrente elétrica produzida pelo GTE é recolhida aos terminais de fios condutores 149 para ser distribuída aos órgãos apropriados.

Claims

1. Turborreator com ventilador dianteiro, compreendendo pelo menos um circuito de fluido e um trocador ar/fluido (40, 140) pelo qual o fluido é resfriado pelo ar exterior ao turborreator, e um bico (3) de separação do fluxo à jusante do ventilador entre um fluxo primário e um fluxo secundário, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor (40, 140) é associado a um gerador termoelétrico (46, 146) compreendendo uma primeira (47, 147) e uma segunda (48, 148) superfícies de troca térmica, cuja primeira superfície está em contato térmico com o fluxo de ar e a segunda superfície está em contato térmico com o fluido a resfriar no trocador (40, 140), com a primeira superfície (47, 147) formando um elemento de parede (32) do bico de separação situado à jusante da borda de ataque (31) do bico de separação dos fluxos de ar, do lado da veia de fluxo secundário (Fs).

2. Turborreator de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira superfície (47, 147) está à montante das aletas (5) fixas de guia de redirecionamento de fluxo secundário (Fs).

3. Turborreator de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o elemento (32) de parede do bico de separação à jusante da borda de ataque (31) compreende aletas (150) radiais em troca térmica com o fluxo de ar.