BR112015006386B1 - Conjunto compreendendo um revestimento de motor de turbina, e, motor de turbina - Google Patents

Abstract

CONJUNTO COMPREENDENDO UM REVESTIMENTO DE MOTOR DE TURBINA, E, MOTOR DE TURBINA. A invenção se refere a um conjunto compreendendo um revestimento de motor de turbina (12) e uma roda de rotor de pás (14) arranjada no mesmo. O revestimento (12) apresenta uma parede interna (20) tendo uma tira circunferencial (24) de material abrasivo. Faceando as pontas das pás, o revestimento apresenta a montante a tira de material abrasivo, e a jusante uma ranhura circunferencial (30). A tira de material abrasivo é definida a jusante por uma ranhura circunferencial (30). A extremidade a jusante de ranhura circunferencial (30) está no registro com ou a jusante das bordas traseiras (18B) das pá (18). Este arranjo otimiza o uso de material abrasivo nos revestimentos de motores de turbina.

Description

[001] A invenção se refere a um conjunto compreendendo um revestimento de motor de turbina e uma roda de rotor de pás arranjada no revestimento.

[002] O revestimento pode alojar uma ou mais rodas de rotor montadas para girar dentro do revestimento.

[003] De maneira a otimizar a eficiência do motor de turbina, as pás em geral são arranjadas de tal maneira que as suas pontas passam tão próximas quanto for possível da parede interna do revestimento.

[004] Algumas vezes isto pode levar às pontas das pás que entram em contato com a parede interna do revestimento, em particular como um resultado da expansão térmica das pás ou do alongamento das pás sob o efeito de forças centrífugas, particularmente durante as primeiras horas de operação de um aeromotor para um avião ou um helicóptero.

[005] De maneira a evitar tais contatos danificando a parede do revestimento, e de maneira conhecida, as superfícies internas do revestimento de motores de turbina algumas vezes são encaixadas com as tiras de material abrasivo (isto é, material que é colocado no local para ser sujeitado à abrasão), tiras as quais são arranjadas dentro do revestimento no registro com as pontas das pás.

[006] O comprimento das pás então é determinado de tal maneira que quando o motor de turbina está correndo em velocidade plena as pás entram em contato com a tira de material abrasivo.

[007] Sob o efeito desta fricção, durante as horas iniciais de operação do motor de turbina, a tira de material abrasivo se desgasta até que alcance uma forma que permite que não entre mais em contato com as pás. A forma que é obtida deste modo é a forma que provê liberação mínima entre as pontas das pás e o revestimento.

[008] Independentemente, os contatos e a fricção que ocorrem entre a tira de material abrasivo e as pontas das pás leva ao desgaste, à vibração, ou até aos impactos que são prejudiciais à vida longa e boa operação do motor de turbina.

[009] Portanto é necessário minimizar a magnitude destes eventos.

[0010] Para este propósito, o pedido internacional WO 2012/025357 descreve um revestimento contendo uma roda de rotor em que as pontas das pás são arranjadas de forma a ser substancialmente mais curtas em suas extremidades a jusante do que em suas extremidades a montante. Esta solução torna possível garantir que a liberação existe pelo menos entre as porções a jusante das pontas das pás e o revestimento.

[0011] Independentemente disso, requer que a área de superfície das pás seja reduzida e assim reduz o trabalho que elas fazem no fluido, reduzindo desta forma a eficiência da roda de rotor.

[0012] O objetivo da invenção assim é propor um arranjo para o revestimento e/ou as pás que permite que a liberação entre as pás e o revestimento seja minimizada, isto limita tanto quanto possível os contatos e a fricção entre as pás e o revestimento, e que conserva efetividade máxima para as pás.

[0013] Este objetivo é alcançado por um conjunto compreendendo um revestimento de motor de turbina e uma roda de rotor de pás arranjada dentro do dito revestimento, o revestimento apresentando uma parede interna incluindo uma tira circunferencial de material abrasivo, e em que, no registro com as pontas das pás, o revestimento apresenta a montante, a tira de material abrasivo, e a jusante uma ranhura circunferencial, a tira de material abrasivo que é definida a jusante pela ranhura circunferencial, e a extremidade a jusante da ranhura circunferencial que é definida de maneira axial no registro com ou a jusante das bordas traseiras das pás.

[0014] O revestimento definido acima e o conjunto de roda de rotor que inclui, no registro com as pontas das pás, uma tira a montante de material abrasivo e a ranhura circunferencial a jusante, apresenta as seguintes vantagens.

[0015] A tira de material abrasivo é posicionada no registro com as pontas das pás, sobre as suas porções a montante. Especificamente, está sobre as porções a montante das pontas das pás que é mais útil para a liberação entre as pontas das pás e o revestimento a ser reduzido.

[0016] Consequentemente está nas porções a montante das pontas das pás em que o uso de uma tira de material abrasivo é a mais justificada. Nesta região, a tira torna possível obter liberação mínima entre as pontas das pás e o revestimento.

[0017] Reciprocamente, nas porções a jusante das pontas das pás, a existência de liberação entre as pontas das pás e o revestimento é de menor importância. Vantajosamente, de acordo com a invenção, preferência é dada nesta região para evitar as colisões entre as pontas das pás e o revestimento.

[0018] Para este propósito, na invenção, o revestimento possui uma ranhura que é arranjada imediatamente a jusante da tira de material abrasivo. O fundo da ranhura assim é oco se comparado com a tira de material abrasivo. Em outras palavras, a ranhura apresenta um raio que é maior do que o raio da tira de material abrasivo (e mais precisamente do que sua superfície interna).

[0019] Esta diferença no raio quer dizer que as pás apresentando um raio que é substancialmente constante a partir das suas bordas dianteiras paras as suas bordas traseiras podem ter pontas com porções a montante que estão muito próximas da tira de material abrasivo de forma que eles atuam de maneira conhecida para desgastar a tira enquanto o motor de turbina está em uso, e porções a jusante que entram em pouco contato ou nenhum contato com as superfícies da ranhura e assim do revestimento.

[0020] Para a eficiência aerodinâmica otimizada da roda de rotor, a extremidade a jusante da ranhura circunferencial pode estar situada no registro ou substancialmente no registro com a extremidade a jusantes das pontas das pás.

[0021] Em uma variante, de maneira a evitar qualquer impacto entre as pás e o revestimento, também é possível prover que a extremidade a jusante da ranhura circunferencial seja arranjada de maneira axial a jusante das bordas traseiras das pás.

[0022] A extremidade a jusante da ranhura circunferencial então é preferivelmente localizada em uma distância axial das bordas traseiras das pás que está na faixa de 5% a 20% do cordão axial das pás como medido nas pontas das pás. Esta distância permite que a ranhura circunferencial apresente as pontas das pás com suficiente faixa para movimento com relação à sua posição nominal.

[0023] Por meio da invenção, o revestimento apresenta uma superfície de contato otimizada e vantajosamente inclui uma tira de material abrasivo com extensão axial mínima, tornando possível desta forma minimizar o contato e a fricção entre as pás e o revestimento.

[0024] Os seguintes vários aprimoramentos vantajosamente podem ser providos sozinhos ou em combinação: • c tcpjwtc. cnfio fg woc uwrgtfíekg fc tcpjwtc hotocfc rgnc tira de material abrasivo, pode apresentar uma seção axial que é côncava; • wo hwpfo fc tcpjwtc pode compreender uma porção cilíndrica; • c tcpjwtc. cnfio de superfície da ranhura formada pela tira de material abrasivo, pode apresentar uma seção axial que é côncava em todos os pontos a partir de a montante para a jusante; • c tcpjwtc pode estar conectada em seu lado a jusante com a parede interna do revestimento por um filete de conexão côncavo, em particular tendo uma seção arqueada de maneira circular; • c ranhura pode estar conectada em seu lado a jusante com a parede interna do revestimento por uma superfície que é substancialmente tronco-cônica; • wo fupfq fc tcnjwtc pode apresentar um raio que é menor do que o raio máximo da tira de material abrasivo; • uma superfície da ranhura pode ser formada pela tira de material abrasivo pode ser troncocônica, o ângulo do cone truncado que é pelo menos 45°, e preferivelmente pelo menos 60°. Por extensão, esta superfície da ranhura formada pela tira de material abrasivo pode ser formada em um plano que se estende de maneira transversal com relação ao revestimento, e pode ser perpendicular ao eixo do revestimento; • " c" tcpjwtc" pode ser estanque, ou pode apresentar um fundo estanque. Em outras palavras, a ranhura não está conectada com os dutos para passar um fluxo de gás ou fluido. Ela não permite que gás seja extraído ou distribuído, mas serve somente para permitir que as pontas das pás girem livremente para evitar qualquer impacto entre elas e o revestimento; e • " c" vkta de material abrasivo cobre 30% a 70% da extensão axial das pás.

[0025] A invenção também provê um compressor de fluxo axial para um motor de turbina incluindo um revestimento ou o conjunto (revestimento mais roda de rotor) como definido acima.

[0026] Finalmente, a invenção provê um motor de turbina tendo pelo menos um revestimento como definido acima.

[0027] A invenção pode ser bem entendida e suas vantagens parecem melhores na leitura da seguinte descrição detalhada das modalidades dadas como exemplos não limitantes. A descrição se refere aos desenhos anexos, em que: • " C" Hkiwtc" 1 é uma vista diagramática de uma porção de um compressor incluindo um revestimento da invenção; • "C"Hkiwtc"2 é uma seção axial diagramática de uma porção de um compressor e contendo uma pá, em uma primeira modalidade da invenção; • C Hkiwtc 3 é uma seção análoga a aquela da Figura 2, mostrando uma segunda modalidade da invenção; • " C" Hkiwtc" 4 é uma seção análoga a aquela da Figura 2, apresentando uma terceira modalidade da invenção; • " C" Hkiwtc" 5 é uma seção análoga a aquela da Figura 2, mostrando uma quarta modalidade da invenção; • " C" Hkiwtc" 6 é uma seção análoga a aquela da Figura 2, mostrando uma quinta modalidade da invenção; e • " C" Hkiwtc" 7 é uma seção análoga a aquela da Figura 2, mostrando uma sexta modalidade da invenção.

[0028] A Figura 1 mostra um compressor de fluxo axial 10 para um motor de turbina. Ele compreende um revestimento 12 tendo uma roda de rotor 14 montada no mesmo. De maneira convencional, a roda de rotor 14 em si compreende um disco de rotor 16 tendo pás radiais 18 fixadas à mesma de maneira axissimétrica. A roda de rotor é arranjada de forma a ser capaz de girar em torno de um eixo de rotação A dentro do revestimento 12.

[0029] O revestimento 12 apresenta uma parede interna 20 definindo uma passagem de fluxo de gás. Esta parede interna forma uma superfície de revolução que em geral é substancialmente cônica na sua forma, e no presente exemplo que é cilíndrico onde está de maneira axial no registro com a roda de rotor 14.

[0030] O arranjo das pás 18 e da parede interna 20 do revestimento 12 da invenção, é mostrado para várias modalidades nas Figuras 2 a 7.

[0031] Nas várias figuras, elementos que são idênticos ou similares são dados as mesmas referências numéricas. Em adição, os vários revestimentos mostrados respectivamente nas Figuras 3 a 7 são idênticos a aqueles mostrados na Figura 2, com a exceção das diferenças mencionadas no texto.

[0032] Em cada uma das Figuras 2 a 7, a extremidade a montante do revestimento 12 (com relação à direção de fluxo de gás intencionada através do revestimento) está no lado esquerdo da figura.

[0033] Cada uma das pás 18 possui uma borda dianteira 18A, uma borda traseira 18B, e uma ponta 19.

[0034] De maneira axial no registro com a roda de rotor 14, a porção radialmente interna do revestimento 12 é constituída principalmente pelas duas partes: uma manga substancialmente cilíndrica 22 feita de metal ou liga de metal (titânio, alumínio, aço, etc liga) e uma tira 24 de material abrasivo, que é diferente do material da manga 22, por exemplo, que é feita de uma liga com base em Al Si.

[0035] A montante e a jusante das pás 18, a manga 22 apresenta uma superfície radialmente interna 23 que é substancialmente cilíndrica. O raio R desta superfície é levemente maior do que o raio máximo da roda de rotor 14, medido nas pontas das pás 18. A manga 22 não possui canal interno ou passagem para transportar um fluxo de gás além da roda de rotor 14.

[0036] No registro com as extremidades ou faceando às extremidades das pás 18, a manga 22 inclui um alojamento 26. Este alojamento está na forma de uma ranhura circular circunferencial apresentando uma superfície de revolução em torno do eixo A, que é esvaziado na manga 22. Este alojamento 26 apresenta uma superfície de fundo 27 que em geral é substancialmente cilíndrica na forma.

[0037] A tira 24, que da mesma maneira está na forma de uma manga, é arranjada no alojamento 26 e ocupa sua porção a montante.

[0038] Consequentemente, faceando as pontas das pás 18, o revestimento apresenta a montante a tira 24 de material abrasivo, e a jusante uma ranhura circunferencial 30, que é meramente a porção a jusante do alojamento 26.

[0039] A tira 24 apresenta uma superfície radialmente interna 25. A espessura (em uma direção radial) da manga 24 é determinada de tal maneira que quando a manga 24 é arranjada no alojamento 26, a superfície interna 23 da manga 22 e a superfície interna 25 da tira 24 são contínuas entre si, apresentando o mesmo raio R (Figura 2). A diferença no raio entre a superfície 23 (dentro da manga 22) e a superfície do fundo 27 do alojamento 26, no nível da tira 24 assim é igual à espessura da tira 24.

[0040] A extremidade a montante da superfície 25 da tira 24 é arranjada de maneira axial substancialmente no registro com as bordas dianteiras 18A das pás 18, ou possivelmente um pouco a montante das mesmas.

[0041] Deve ser observado que no contexto da invenção, a superfície 25 da tira 24 pode apresentar uma descontinuidade (da posição e/ou de tangente) com relação à superfície 23. Por exemplo, a tira 24 pode apresentar um raio interno que é levemente menor do que ou levemente maior do que o raio R da superfície 23 da manga 22.

[0042] A extremidade a jusante da tira 24 está situada em torno da metade do caminho ao longo do eixo A entre a borda dianteira 18A e a borda traseira 18B da pá 18. Em geral, é preferível que a tira 24 feita de material abrasivo para cobrir pelo menos 30% da extensão axial das pás. Adicionalmente, não existe razão em ocupar mais do que 70% da extensão axial das pás.

[0043] Imediatamente a jusante da tira 24 existe a ranhura 30. A ranhura é definida a montante pela tira 24, e em seu fundo e em seu lado a jusante pela manga 22.

[0044] Em termos gerais, a partir de a montante para a jusante, a ranhura 30 apresenta três porções sucessivas: uma porção a montante 32 definida pela tira 24, um fundo 34, e uma porção a jusante 36.

[0045] A porção a montante é formada pela superfície da tira 24 a jusante. Reciprocamente, o fundo 34 e a porção a jusante 36 não são feitos de material abrasivo.

[0046] Eles são formados diretamente na manga 22.

[0047] Nas modalidades das Figuras 2 a 6, esta superfície é arranjada em um plano que é transversal com relação ao eixo A do revestimento 12. Consequentemente, a superfície a montante 32 forma um degrau "para fora" na extremidade a montante da ranhura 30 onde o diâmetro da passagem para fluido aumenta subitamente.

[0048] A superfície de fundo 34 é uma porção da superfície de fundo do alojamento 26. Nas modalidades das Figuras 2 a 4 e 7, o alojamento 26 apresenta uma superfície de fundo que é cilíndrica, e consequentemente nestas modalidades, as superfícies de fundo 27 são cilíndricas.

[0049] Finalmente, como a superfície 32, a superfície a jusante 36 da ranhura 30 pode ser arranjada em um plano que é transversal ao eixo A do revestimento 12 (modalidade mostrada na Figura 2). Como um resultado, a superfície a jusante 36 da ranhura 30 forma um degrau "para dentro" na extremidade a jusante da ranhura 30, onde o diâmetro da passagem de fluxo de fluido diminui subitamente de ordem uma vez mais para ser igual ao diâmetro da superfície interna da parte 22.

[0050] A extremidade a jusante da superfície 36 da ranhura 30 é arranjada de maneira axial substancialmente no registro com as bordas traseiras 18B das pás 18, ou até um pouco a jusante das mesmas.

[0051] A ranhura 30 assim apresenta uma seção axial que é côncava.

[0052] As Figuras 3 a 7 mostram várias modalidades da ranhura 30.

[0053] As modalidades das Figuras 3 e 4 diferem da modalidade da Figura 2 pelo arranjo da superfície a jusante 36 da ranhura 30: • Na Figura 3, a superfície a jusante 36 é troncocônica na sua forma em torno do eixo A. A ranhura 30 assim está conectada em sua extremidade a jusante com a parede interna 20 do revestimento através da superfície substancialmente troncocônica, formando uma inclinação constante na seção axial que conecta o fundo 34 com a parede 20 do revestimento. Esta forma vantajosamente limita a formação de turbulência nas extremidades a jusante das pontas das pás 18. • Na Figura 4, a superfície a jusante 36 é um filete de conexão côncavo tendo uma seção na forma de um arco circular. A extremidade a montante deste filete de conexão é contínua na posição e na tangente com o fundo 34 da ranhura 30.

[0054] Em adição, nestas duas modalidades, a extensão axial da superfície de fundo 34 é menor do que na primeira modalidade, e reciprocamente a extensão axial da superfície a jusante 36 é maior. Nestas modalidades, a superfície 34 termina a montante das bordas traseiras das pás 18 e não no registro com a mesma. A superfície a jusante 36 da ranhura 30 assim se estende a partir da extremidade a jusante da superfície de fundo 34 a montante das bordas traseiras das pás 18 de maneira axial tão distante quanto as bordas traseiras ou a jusante das mesmas.

[0055] Adicionalmente, nas modalidades das Figuras 3, 4, e 6, a extremidade a jusante da ranhura circunferencial está localizada não no registro com as bordas traseiras 18B das pás, mas a jusante do mesmo.

[0056] Nestas várias modalidades, a extremidade a jusante da ranhura circunferencial assim está localizada em uma distância axial ao longo do eixo A e medida das bordas traseiras 18B das pás que fica na faixa de 5% a 20% do cordão axial das pás como medido nas pontas das pás. O valor do "cordão axial" das pás corresponde com a distância ao longo do eixo A como mostrado nas figuras entre as bordas dianteiras 18A e as bordas traseiras 18B das pás.

[0057] A modalidade da Figura 5 é similar a aquela da Figura 4. A única diferença está na forma do fundo do alojamento 26.

[0058] Diferentemente das modalidades das Figuras 2 a 4, na modalidade da Figura 5, o fundo do alojamento 26 é subdividido em duas porções: uma porção a montante que recebe a tira 24 e uma porção a jusante que forma a ranhura 30. Ambas estas duas porções são de forma cilíndrica; a porção a montante possui um diâmetro interno que é maior do que a porção a jusante, e consequentemente estas duas porções são separadas por um rebordo 38.

[0059] O rebordo 38 serve para reter a tira 34 na posição, em particular na direção axial.

[0060] A Figura 6 mostra uma modalidade em que a superfície de fundo 24 e a superfície a jusante 36 são contínuas; não existe limite perceptível entre elas.

[0061] As superfícies 34 e 36 tomadas juntas constituem uma única superfície 40.

[0062] Esta superfície 40 apresenta uma seção axial que é localmente estritamente côncava em todos os pontos a partir de a montante para a jusante, e consequentemente esta seção de superfície não possui qualquer segmento de linha reto. A sua forma pode ser arbitrária, e idealmente deve ser determinada por experimento ou por cálculo de forma a garantir que, em todos os modos de operação do motor de turbina, as superfícies 34 e 36 (e assim a superfície 40) permaneçam sem contato com as pás 18.

[0063] Finalmente, a Figura 7 mostra uma modalidade que difere daquela mostrada na Figura 3 na forma da superfície a montante 32 da ranhura 30.

[0064] Em vez desta superfície a montante ser perpendicular ao eixo A do revestimento, a superfície a montante 32 é troncocônica em torno do eixo A. com relação a este eixo ela forma um ângulo no vértice g que é igual a 45°.

[0065] De maneira a evitar o superdimensionamento desnecessário da tira de material abrasivo 24, o ângulo g preferivelmente não é menor do que 45°.

[0066] Nas várias modalidades descritas, as pontas 19 das pás 18 estão situadas de maneira radial estritamente dentro da parede 20. Em adição, o comprimento das pás (medido na direção radial) é constante.

[0067] Nenhuma destas duas características é essencial para a invenção.

[0068] No contexto da invenção, as pás podem ter um comprimento (medido na direção radial) que varia como uma função da posição ao longo do eixo da roda de rotor. As pás assim podem apresentar um raio total (raio global para as pás quando montadas na roda de rotor) que varia na direção axial.

[0069] No contexto da invenção, as pás também podem apresentar um raio total que possivelmente deve ser maior do que o raio da superfície interna do revestimento imediatamente a montante ou a jusante da roda de rotor, ou que é pelo menos localmente maior do que o raio (isto é, apenas sobre uma certa faixa axial ao longo do eixo da roda de rotor). As pontas das pás então penetram pelo menos localmente na parede do revestimento.

[0070] As pás também podem apresentar liberação radial não uniforme com relação ao revestimento, como mostrado em particular na modalidade descrita acima.

[0071] Consequentemente, o raio total das pás pode ser menor do que ou maior do que o raio interno (R) da superfície do revestimento imediatamente a montante ou a jusante das pás. O raio total das pás também pode variar entre estas duas configurações como uma função do posicionamento ao longo do eixo da roda de rotor.

Claims (11)

1. Conjunto compreendendo um revestimento de motor de turbina (12) e uma roda de rotor de pás (14) arranjada dentro do revestimento, o revestimento (12) apresentando uma parede interna (20) incluindo uma tira circunferencial (24) de material abrasivo, onde, no registro com as pontas das pás, o revestimento apresenta a montante, a tira de material abrasivo, e a jusante uma ranhura circunferencial (30), sendo a tira de material abrasivo definida a jusante pela ranhura circunferencial (30), caracterizado pelo fato de que a extremidade a jusante da ranhura circunferencial (30) é arranjada de maneira axial no registro com ou a jusante das bordas traseiras (18B) das pás (18).

2. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a ranhura, além de uma superfície da ranhura (32) formada pela tira de material abrasivo, apresenta uma seção axial que é côncava.

3. Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que um fundo (34) da ranhura compreende uma porção cilíndrica.

4. Conjunto de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a ranhura (30), além de uma superfície da ranhura formada pela tira de material abrasivo, apresenta uma seção axial que é côncava em todos os pontos a partir de a montante para a jusante.

5. Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a ranhura está conectada em seu lado a jusante com a parede interna (20) do revestimento por um filete de conexão côncavo (36), em particular tendo uma seção arqueada de maneira circular.

6. Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a ranhura está conectada em seu lado a jusante com a parede interna do revestimento por uma superfície (36) que é troncocônica.

7. Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que um fundo (34) da ranhura apresenta um raio que é menor do que o raio máximo da tira de material abrasivo.

8. Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que uma superfície da ranhura formada pela tira de material abrasivo é troncocônica, o ângulo (α) do cone truncado sendo pelo menos 45°, e preferivelmente pelo menos 60°.

9. Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a ranhura (30) apresenta um fundo estanque.

10. Conjunto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a tira de material abrasivo cobre 30% a 70% da extensão axial das pás.

11. Motor de turbina, caracterizado pelo fato de que inclui pelo menos um conjunto como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10.

Images