BR112016002648B1

BR112016002648B1 - Pá de estator de turbomáquina, estator de turbomáquina e turbomáquina

Info

Publication number: BR112016002648B1
Application number: BR112016002648-9A
Authority: BR
Inventors: Pradeep Cojande; Eric Pierre Maurice Lippinois; Hanna Reiss
Original assignee: Snecma
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2022-02-01
Also published as: JP6416906B2; JP2016530440A; US10221692B2; RU2662761C2; CA2920345C; RU2016108855A3; FR3009589B1; EP3033530A1; CN105473869B; US20160194962A1; RU2016108855A; BR112016002648A2; CA2920345A1; CN105473869A; WO2015022463A1; EP3033530B1; FR3009589A1

Abstract

PÁ DE ESTATOR DE TURBOMÁQUINA. A invenção se refere a uma pá (34) de estator de turbomáquina que compreende uma pluralidade de seções de pá (35) empilhadas de acordo com um eixo radial Z. Em uma porção inferior da pá que de 0 a 50 % de sua altura total, o bordo de ataque (BA) de cada seção está para a frente em relação ao bordo de ataque da seção que corresponde à altura total e as espessuras máximas são medidas a posições afastadas do bordo de ataque (BA) de pelo menos 50 % da corda.

Description

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

[0001] A invenção se refere a uma pá de estator de turbomáquina, a um estator de turbomáquina que compreende uma pluralidade de pás de estator e a uma turbomáquina que compreende pelo menos um tal estator.

[0002] Uma turbomáquina 1 de fluxo duplo para a propulsão de uma aeronave é representada na figura 1, em corte de acordo com um plano vertical que passa por seu eixo principal A. Essa turbomáquina compreende um cárter exterior 10 no qual são dispostos, de a montante para a jusante no sentido da circulação de ar, uma ventoinha 12, um compressor de baixa pressão 14, um compressor de alta pressão 16, uma câmara de combustão 18, uma turbina de alta pressão 20, uma turbina de baixa pressão 22 e um cone de escapamento 24.

[0003] Um cárter interior 28 é disposto dentro do cárter exterior 10, em torno dos compressores 14 e 16, da câmara de combustão 18 e das turbinas 20 e 22. Um estator 30 se estende a jusante da ventoinha 12, entre os cárteres 28 e 10, sendo nesse caso disposto na região dos compressores 14 e 16.

[0004] Em funcionamento, o cárter interior 28 divide o fluxo de ar acelerado pela ventoinha 12 entre um fluxo primário Fp que alimenta os compressores 14 e 16, e um fluxo secundário Fs que escoa entre os cárteres 28 e 10 e é assim ejetado da turbomáquina depois de ter transposto o estator 30 para fornecer uma parte do impulso.

[0005] O estator, também denominado pelo acrônimo OGV para o inglês “Outlet Guide Vane”, compreende uma pluralidade de pás dispostas em coroa em torno de um anel 32 levado pelo cárter interior 28. O estator permite retificar o fluxo de ar na saída da ventoinha.

[0006] Para uma melhor eficácia do estator, suas pás devem ter bons desempenhos aerodinâmicos e, em especial, limitar as perdas na travessia da coroa do estator.

[0007] Por outro lado, sob o efeito do fluxo de ar, as pás do estator são submetidas a grandes tensões que, em especial provocam fenômenos de torção e de flexão dessas pás. A torção de uma pá é sua deformação sobre si mesma, em torno de seu eixo de empilhamento. A flexão da pá é sua deformação em torno do eixo tangencial tangente à rotação da ventoinha, e, portanto, ao anel 32.

[0008] Esses fenômenos de torção e de flexão são analisados pelo parâmetro de acoplamento entre torção e flexão ou TBC, acrônimo do inglês “Twist Bend Coupling”. O TBC em um ponto de uma pá é a relação entre a amplitude da torção e a amplitude da flexão nesse ponto. O TBC das pás de estator é revelador da tendência das mesmas ao atrito em funcionamento. Ele deve ser aceitável do ponto de vista da operabilidade da turbomáquina e de seu comportamento aerodinâmico.

[0009] É importante, portanto, fazer de modo com que a eficácia aumentada dos desempenhos aerodinâmicos não degrade o TBC em relação ao TBC alvo, determinado em fase de cálculos de dimensionamento da turbomáquina.

OBJETO E SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0010] A invenção visa propor uma pá de estator que permita ao mesmo tempo favorecer uma boa distribuição do fluxo de ar na altura das pás com um desempenho aerodinâmico aumentado, e evitar uma degradação do comportamento das mesmas em termos de torção e de flexão, em relação a pás clássicas.

[0011] A invenção tem como objeto uma pá de estator de turbomáquina que compreende uma pluralidade de seções de pá empilhadas entre uma raiz e uma cabeça de acordo com um eixo radial Z que define a direção da altura da pá, cada seção de pá:• se estendendo de acordo com um eixo longitudinal X entre um bordo de ataque e um bordo de fuga e de acordo com um eixo tangencial Y entre uma face intradorso e uma face extradorso,• tendo uma corda definida pelo comprimento do segmento que se estende a partir do bordo de ataque até o bordo de fuga,• tendo uma espessura, definida pela distância entre as faces intradorso e extradorso, que varia ao longo da corda,

[0012] coordenadas adimensionais x’ e z’ sendo definidas para cada ponto da pá de coordenadas z, y, z de acordo com os eixos X, Y, Z, pelos quocientes x/Ht e z/Ht, onde Ht representa a altura total da pá, o bordo de ataque da pá em sua altura total Ht que define uma coordenada de origem x’ = 0 a partir da coordenada x’ aumenta indo-se na direção do bordo de fuga,

[0013] caracterizada pelo fato de que, em uma porção inferior da pá que vai de z’ = 0 a z’ = 0,5, a coordenada x’ do bordo de ataque é negativa e as espessuras máximas são medidas a posições afastadas do bordo de ataque de pelo menos 50 % da corda.

[0014] Assim, o bordo de ataque da pá é “colocado para a frente” na porção inferior da pá quer dizer que, em sua porção inferior, o bordo de ataque está saliente para a montante, em relação a sua posição na extremidade radialmente externa da pá, na qual sua altura total é medida. Como será visto na sequência, isso permite uma melhor distribuição da vazão de ar na altura da pá. No mesmo tempo, sobre a porção inferior, as zonas de espessura máxima das diferentes seções de pá estão afastadas do bordo de ataque, o que permite limitar os fenômenos de torção e, em especial, os fenômenos de flexão da pá.

[0015] De acordo com variantes, a pá apresenta uma ou várias das características seguintes:• para a seção de coordenada z’ = 0, a coordenada x’ é inferior ou igual a - 0,15.• a coordenada x’ é inferior ou igual a - 0,1 em uma porção da pá que vai de z’ = 0 a z’ = 0,3.• a coordenada x’ aumenta continuamente sobre a porção inferior da pá, à medida que a coordenada z’ aumenta.• para a seção de coordenada z’ = 0, a espessura máxima é medida a uma posição afastada do bordo de ataque de pelo menos 60 % da corda.• a espessura máxima é medida a uma posição afastada do bordo de ataque de pelo menos 60 % da corda em uma porção da pá que vai de z’ = 0 a z’ = 0,15. • a pá apresenta uma primeira porção próxima de sua raiz, na qual a posição da espessura máxima em relação à corda permanece substancialmente fixa e uma segunda porção que se estende para além da primeira porção e até a cabeça da pá, na qual a posição da espessura máxima avança na direção do bordo de ataque. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0016] A invenção será bem compreendida e suas vantagens aparecerão melhor, com a leitura da descrição detalhada que se segue, de um modo de realização representado a título de exemplo não limitativo. A descrição se refere aos desenhos anexos, nos quais:• a figura 1, já descrita, é uma vista esquemática em corte longitudinal de uma turbomáquina;• a figura 2 é uma vista esquemática parcial do estator dessa turbomáquina;• a figura 3 é uma vista de uma pá do estator, que mostra o empilhamento das seções de pá;• a figura 4 é um corte da pá em uma de suas seções;• a figura 5 é uma curva que ilustra a evolução da posição do bordo de ataque da pá em sua altura;• a figura 6 representa, por um lado para uma pá de acordo com a invenção (em traços cheios) e por outro lado para uma outra pá de estator (em traços interrompidos), a distribuição das espessuras ao longo da corda para diferentes seções da pá;• a figura 7 representa, para uma pá de acordo com a invenção, a evolução da posição da espessura máxima em relação à corda, de acordo com a altura da pá;• a figura 8 representa, por um lado para uma pá de acordo com a invenção (em traços cheios) e por outro lado para uma outra pá de estator (em traços interrompidos), a evolução das perdas de pressão do ar na passagem da pá, de acordo com a altura da pá; e • a figura 9 mostra a evolução do desvio do parâmetro TBC em relação ao TBC alvo em função da altura da pá, para uma fatia da altura total da qual as coordenadas adimensionais z’ estão compreendidas entre os valores z’1 e z’2, para a pá da invenção (em traço cheio) e para duas outras pás (em traços interrompidos). DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0017] A figura 2 mostra uma parte do estator 30 da turbomáquina ilustrada esquematicamente na figura 1. Esse estator compreende uma pluralidade de pás 34, que são fixadas por suas raízes 34A ao cárter 28 por intermédio do anel 32 e que são fixadas por suas cabeças 34B ao cárter 10 (não representado nessa figura). A raiz e a cabeça são respectivamente a extremidade radialmente interna e a extremidade radialmente externa da pá, entre as quais se estende o perfil aerodinâmico da pá.

[0018] Foi indicada na figura 2 a referência ortogonal X, Y, Z, o eixo X sendo o eixo longitudinal paralelo ao eixo principal A da turbomáquina, que é o eixo de rotação das turbinas, o eixo Y sendo o eixo tangencial, e o eixo Z sendo o eixo radial, que define a direção da altura das pás.

[0019] Cada pá apresenta m bordo de ataque BA e um bordo de fuga BF, afastados de acordo com o eixo X, assim como uma face extradorso FE e uma face intradorso FI.

[0020] Como pode ser visto na figura 3, cada pá 34 é formada por uma pluralidade de seções de pá 35 empilhadas de acordo com o eixo Z, da raiz 34A até a cabeça 34B.

[0021] O corte da figura 4 é tomado em uma das seções, em um plano com Z constante. Para essa seção, foi indicada a corda C da pá, que é o segmento retilíneo que se estende entre o bordo de ataque BA e o bordo de fuga BF. Por convenção, esse segmento é percorrido no sentido que vai do bordo de ataque até o bordo de fuga. Na figura 4, foi indicada a espessura E da pá em uma região mediana da seção. Por convenção, essa espessura E é a distância entre a face intradorso FI e a face extradorso FE, medida a uma posição da seção de pá definida por um ponto P do esqueleto S dessa última, perpendicularmente ao esqueleto S, esse esqueleto sendo a linha mediana entre as faces intradorso FI e extradorso FE. Assim, a espessura E é medida a uma posição afastada do bordo de ataque BA de acordo com uma distância D. A posição da espessura máxima, definida em porcentagem do comprimento de corda C é, portanto, definida por 100*D/C.

[0022] Deve ser entendido que as figuras 2 a 4 são fornecidas para favorecer a compreensão da estrutura global do estator e de suas pás. Essas figuras não ilustram necessariamente os critérios dimensionais específicos à invenção, que dizem respeito, em especial, à posição do bordo de ataque e àquela da espessura máxima.

[0023] A curva em traço cheio representada na figura 5 é o traço do bordo de ataque, quer dizer a curva da evolução da posição em X do bordo de ataque da pá de acordo com a altura (em Z) dessa última. Essa curva é desenhada com, em abscissas, a coordenada x’, ou seja, x/Ht, quer dizer a coordenada x do ponto considerado do bordo de ataque BA de acordo com o eixo X, adimensional pela altura total Ht da pá e, em ordenadas, a coordenada z1, ou seja, z/Ht, quer dizer a coordenada z do ponto considerado do bordo de ataque de acordo com o eixo Z, adimensional pela altura Ht. A coordenada de origem z = 0 ou z’ = 0 é definida na raiz de pá, quer dizer ao nível da periferia externa do anel 32. A altura total Ht é medida da raiz à cabeça da pá. A coordenada de origem x’ = 0 é definida como sendo a coordenada x’ do bordo de ataque no ponto z’ = 1, quer dizer no ponto de altura máxima. A coordenada x’ vai aumentando na direção do bordo de fuga, de acordo com o eixo X na figura 2.

[0024] É visto que, em toda sua região inferior, a pá é “colocada para a frente”. De fato, a coordenada x’ permanece negativa em toda a metade inferior da altura da pá, denominada “porção inferior” se estendendo a partir da raiz 34A até 50 % da altura total Ht (Z = 0,5). No caso em questão, a coordenada x’ é da ordem de - 0,07 a z’ = 0,5.

[0025] É notado também que, para z’ = 0, z’ é inferior a - 0,15, mais especialmente da ordem de - 0,175. Além disso, em toda a parte da porção inferior compreendida entre z’ = 0 e z’ = 0,3, a coordenada x’ permanece inferior ou igual a - 0,1.

[0026] No exemplo representado, a coordenada x’ cresce continuamente a partir da raiz, passa por um valor nulo a cerca de 2/3 da altura da pá e atinge um valor máximo positivo a cerca de 80 a 90 % da altura total, antes de diminuir para se tornar de novo nula a 100 % da altura máxima.

[0027] De acordo com uma variante representada pela curva em traços interrompidos, essa fase final de diminuição pode ser suprimida, caso no qual a coordenada x’ cresce continuamente a partir da raiz para tingir um valor nulo ou substancialmente nulo a 100 % da altura máxima.

[0028] A curva da figura 5 se caracteriza em especial por uma colocação para a frente até 50 5 da altura total. Os inventores de fato constataram que, para um estator do qual as pás apresentam uma tal colocação para a frente, as perdas aerodinâmicas são limitadas em relação a uma pá clássica, de empilhamento reto, quer dizer para a qual a coordenada x’ do bordo de ataque é substancialmente constante em toda sua altura.

[0029] Isso é especialmente visível na figura 8, que mostra a evolução das perdas aerodinâmicas (em abscissas) em função da coordenada z’ (em ordenadas). Essa evolução é mostrada para a porção inferior da pá, até z’ = 0,5, por um lado para uma pá que apresenta uma tal colocação para a frente (traço cheio) e por outro lado para uma pá de empilhamento reto (traços interrompidos). É constatada em especial uma melhoria bastante substancial a partir de cerca de 8 % da altura total (z’ = 0,08), que é da ordem de 1 a 2 % em média no conjunto da porção inferior.

[0030] Os inventores constataram que, para otimizar o comportamento da páantes de uma tal colocação para a frente, há vantagem em recuar a posição daespessura máxima na direção do bordo de fuga para a porção inferior da pá. Isso favorece de fato o comportamento da pá na torção e na flexão. A posição daespessura máxima das diferentes seções é determinada em porcentagens docomprimento de corda.

[0031] Com relação a isso, a figura 6 mostra a evolução das posições de espessura máxima em função da altura. Para a pá da invenção por um lado (em traço cheio), e para uma pá que tem uma colocação para a frente similar, mas com posições clássicas de espessura máxima por outro lado (em traços interrompidos). A figura 6 mostra 5 curvas de variação da espessura da pá, respectivamente para as seções z’ = 0, z’ = 0,25, z’ = 0,5, z’ = 0,75 e z’ = 1.

[0032] É visto que, até 50 % da altura total, a espessura máxima é deslocada na direção do bordo de fuga na pá de acordo com a invenção, em relação à outra pá (o bordo de ataque e o bordo de fuga se encontram respectivamente a 0 % e a 100 % da corda).

[0033] Na figura 7, é visto que, para z’ = 0, a posição da espessura máxima é superior a 60 % da corda, mais precisamente da ordem de 62 % da corda. A posição da espessura máxima permanece substancialmente a um nível superior a 60 % de corda até z’ = 0,15, e mesmo praticamente até z’ = 0,2. Nessa porção que vai de z’ = 0 a z’ = 0,15 e mesmo z’ = 0,20, a posição da espessura máxima permanece substancialmente constante permanecendo para isso por exemplo em uma variação da ordem de 5 % de corda. Nesse caso, a posição da espessura máxima permanece entre 60 % e 65 % da corda até z’ = 0,15.

[0034] Em uma segunda porção que se estende para além dessa primeira porção indo-se na direção da cabeça da pá, a posição da espessura máxima avança na direção do bordo de ataque à medida que a altura da pá aumenta e, isso, até sua cabaça. Nessa segunda porção, a posição de espessura máxima avança progressivamente na direção do bordo de ataque à medida que z’ aumenta, para atingir nesse caso cerca de 40 a 45 % da corda na cabeça da pá (z’ = 1).

[0035] Na figura 9, o desvio em relação ao TBC alvo é indicado em abscissa, enquanto que a coordenada z’ figura na ordenada. O TBC alvo é a origem das abscissas (valor 0 %) e é indicada a evolução do desvio do TBC em relação ao TBC alvo, em função da altura, em uma fatia representativa da pá, entre os valores z’1 e z’2 para a coordenada z’.

[0036] Foi representada em traços interrompidos regulares a evolução do desvio entre o TBC constatado e o TBC alvo para uma pá da arte anterior com empilhamento reto. Esse desvio é aceitável, visto que ele é negativo em toda a fatia considerada.

[0037] A curva em traços interrompidos mistos mostra o desvio do TBC para uma pá colocada para a frente, assim como foi definido precedentemente, mas sem modificação das posições das espessuras máximas, quer dizer conservando-se as distâncias constatadas na pá precedente, entre o bordo de ataque a as posições de espessura máxima, para cada seção da pá. É visto que o desvio é inaceitável entre os valores z’1 e z’’1, visto que ele se torna positivo nessa fatia: o TBC é degradado.

[0038] A curva em traço cheio mostra o desvio do TBC para uma pá de acordo com a invenção, na porção inferior da qual (até z’ = 0,5), não somente o bordo de ataque é colocado para a frente, mas também as posições de espessura máxima estão distantes do bordo de ataque de pelo menos 50 % da corda. É visto que, para essa pá, o desvio de TBC se tornou de novo aceitável, visto que ele permanece negativo na fatia considerada.

[0039] É notado, para o valor z’1, situado entre a raiz da pá e um valor z’r, que corresponde nesse caso a um valor mediano entre z’1 e z’2, um ganho g que corresponde a uma melhoria entre o TBC constatado e o TBC alvo. De acordo com os casos, esse ganho pode ser da ordem de 10 % de desvio de TBC.

[0040] A figura 9 se interessa a uma fatia representativa da altura da pá, na qual o respeito do critério TBC é julgado importante. O valor de referência z’r corresponde substancialmente à meia altura da pá, a mais afastada da raiz da pá, fixado ao cárter interior 28 e da cabeça da pá, fixada ao cárter exterior 10. A fatia representativa que vai de z’1 a z’2 pode por exemplo cobrir 10 % a 40 % da altura da pá.

[0041] Por outro lado, os inventores constataram que a pá para a qual o desvio do TBC é ilustrado em traço cheio na figura 9 apresenta a mesma evolução das perdas aerodinâmicas que ilustrado em traço cheio na figura 8. Assim, combinando-se o recuo das posições das espessuras máximas a pelo menos 50 % da corda na porção inferior da pá (z’ compreendido entre 0 e 0,5), com a colocação para a frente do bordo de ataque (coordenada z’ inferior ou igual a 0), é realizada uma pá da qual os desempenhos aerodinâmicos são melhorados e da qual o critério TBC é preservado.

Claims

1. Pá (34) de estator (30) de turbomáquina (1) que compreende uma pluralidade de seções de pá (35) empilhadas entre uma raiz (34A) e uma cabeça (34B) de acordo com um eixo radial Z que define a direção da altura da pá, cada seção de pá:• se estendendo de acordo com um eixo longitudinal X entre um bordo de ataque (BA) e um bordo de fuga (BF) e de acordo com um eixo tangencial Y entre uma face intradorso (FI) e uma face extradorso (FE),• tendo uma corda (C) definida pelo comprimento do segmento que se estende a partir do bordo de ataque (BA) até o bordo de fuga (BF),• tendo uma espessura (E), definida pela distância entre as faces intradorso e extradorso, que varia ao longo da corda,as coordenadas adimensionais x’ e z’ sendo definidas para cada ponto da pá de coordenadas x, y z de acordo com os eixos X, Y, Z, pelos quocientes x/Ht e z/Ht, onde Ht representa a altura total da pá, o bordo de ataque (BA) da pá em sua altura total Ht que define uma coordenada de origem x’ = 0 a partir da qual a coordenada x’ aumenta indo na direção do bordo de fuga,a coordenada x’ do bordo de ataque (BA) sendo negativa em uma porção inferior da pá que vai de z’ = 0 a z’ = 0,5,a pá sendo caracterizada pelo fato de que, em dita porção inferior da pá que vai de z’ = 0 a z’ = 0,5, as espessuras máximas são medidas a posições afastadas do bordo de ataque (BA) de pelo menos 50% da corda (C).

2. Pá, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que, para a seção de coordenada z’ = 0, a coordenada x’ é inferior ou igual a - 0,15.

3. Pá, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a coordenada x’ é inferior ou igual a - 0,1 em uma porção da pá que vai de z’ = 0 a z’ = 0,3.

4. Pá, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a coordenada x’ aumenta continuamente sobre a porção inferior da pá, à medida que a coordenada z’ aumenta.

5. Pá, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que, para a seção de coordenada z’ = 0, a espessura máxima é medida a uma posição afastada do bordo de ataque (BA) de pelo menos 60% da corda.

6. Pá, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a espessura máxima é medida a uma posição afastada do bordo de ataque (BA) de pelo menos 60% da corda em uma porção da pá que vai de z’ = 0 a z’ = 0,15.

7. Pá, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que a pá (34) apresenta uma primeira porção próxima de sua raiz (34A), na qual a posição da espessura máxima em relação à corda (C) permanece substancialmente fixa e uma segunda porção que se estende para além da primeira porção e até a cabeça (34B) da pá, na qual a posição da espessura máxima avança na direção do bordo de ataque (BA).

8. Estator de turbomáquina caracterizado pelo fato de compreender uma pluralidade de pás como definidas em qualquer uma das reivindicações 1 a 7.

9. Turbomáquina caracterizada pelo fato de compreender pelo menos um estator como definido na reivindicação 8.