BR112017001989B1

BR112017001989B1 - Pá de turbina, disco de turbina e turbina de alta pressão de turbojato

Info

Publication number: BR112017001989B1
Application number: BR112017001989-2A
Authority: BR
Inventors: Pierre Guillaume Auzillon; Rémi Philippe Oswald Olive; Marjolaine Marie-Anne Pierre
Original assignee: Safran Aircraft Engines
Priority date: 2014-08-05
Filing date: 2015-08-03
Publication date: 2022-10-11
Also published as: WO2016020614A1; FR3024749B1; JP2017529482A; RU2692938C1; BR112017001989A2; FR3024749A1; CA2955738A1; US20170226871A1; CN106574508A; EP3194728A1; CN106574508B; JP6392444B2; CA2955738C; EP3194728B1; US10385700B2

Abstract

PÁ DE TURBINA, DISCO DE TURBINA E TURBINA DE ALTA PRESSÃO DE TURBOJATO. Trata-se de uma pá de turbina de turbomáquina (1) que compreende uma face de sucção (11), uma face de pressão (12), um bordo de ataque (13) e um bordo de fuga (14) assim como um rebaixo (2) na ponta dos mesmos, sendo que a dita ponta rebaixada (2) que compreende pelo menos uma nervura interna (3), distinguida pelo fato de que a dita nervura (3) se estende de um ponto de fixação (31) do aro (2a) do dito rebaixo (2) sobre o lado de face de sucção (11) até um ponto de fixação (32) do aro (2a) do dito rebaixo (2) sobre o lado de face de pressão (12) e compreende uma porção para absorver a carga de fluxos de vazamento (16) que se estende da face de sucção (11) e uma porção formadora de defletor que estende a porção absorvente de carga com uma inflexão e guia os fluxos de vazamento (16) em direção à face de pressão (12).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a pás de turbina de um motor de turbina.

[002] A mesma encontra aplicação vantajosa particular no caso de turbina de alta pressão na saída da câmara de combustão de um turbojato.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[003] Convencionalmente, entre as pás de uma turbina de um motor de turbina e a face interna do anel em que o dito rotor gira, é fornecida uma folga de ponta de pá que permite a rotação do dito rotor. Devido ao movimento do rotor e à diferença de pressão entre a superfície inferior e a superfície superior das pás, fluxos de vazamento ocorrem na folga entre a ponta de cada uma das pás e a face interna do anel. Esses fluxos e os vórtices que os mesmos criam na superfície superior são a fonte de numerosos problemas de aerodinâmica e aerotérmicos que afetam diretamente o desempenho do motor de turbina.

[004] A folga entre a ponta das pás e a superfície interna do anel geralmente é ajustada de modo a reduzir esses fluxos. No entanto, a redução dessa folga aumenta o risco de contatos entre as pás e a superfície interna do anel e limita fortemente as vidas úteis das pás; adicionalmente, isso causa também um aumento na temperatura da ponta das pás, o que também tem um impacto na vida útil das pás.

[005] Para compensar essa desvantagem, é convencionalmente conhecido o fornecimento de rebaixos na ponta das pás, o que torna possível limitar a superfície de contato entre a pá e o anel. Esses rebaixos são definidos geralmente por um aro que delimita um contorno fechado e que se estende, para esse propósito, na ponta da pá, ao longo da superfície superior e da superfície inferior, do bordo de ataque até o bordo de fuga.

[006] Em particular, foram propostas configurações com rebaixos que se destinam a tornar possível aperfeiçoar o desempenho aerodinâmico e aerotérmico das pás. Em particular, são conhecidos os pedidos de patente no EP1748153 e WO2009/115728 pelo requerente que propõem, por exemplo, configurações de rebaixo que compreendem diversas cavidades ou que integram defletores para guias os fluxos de vazamento na ponta da pá.

[007] No entanto, até hoje, as soluções conhecidas na técnica se mostraram insuficientes, particularmente em relação ao desempenho exigido de turbojatos da nova geração.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[008] Um objetivo geral da invenção é aprimorar o desempenho aerodinâmico/aerotérmico de pás de turbina.

[009] Em particular, a invenção propõe uma estrutura de rebaixo na ponta das pás que permite um aumento na eficácia da turbina.

[010] Será notado que, no caso de turbojatos, um aumento na eficiência das turbinas tem um efeito direto na eficiência e no consumo de combustível específico do turbojato. Essa á a razão pela qual a solução proposta é vantajosamente aplicada no caso das pás de turbina de alta pressão de turbojato.

[011] Em particular, de acordo com uma realização, a invenção consiste em uma pá de turbina de um motor de turbina que compreende uma superfície superior, uma superfície inferior, um bordo de ataque e um bordo de fuga assim como um rebaixo em sua ponta, sendo que o dito rebaixo compreende pelo menos uma nervura interna, distinguida pelo fato de que a dita nervura se estende de um ponto de fixação do aro do dito rebaixo sobre o lado de superfície superior até um ponto de fixação do aro do dito rebaixo sobre o lado de superfície inferior e inclui uma porção de tomada de força para fluxos de vazamento que se estende da superfície superior e uma porção que forma um defletor estende a porção de tomada de força com uma inflexão e guia os fluxos de vazamento em direção à superfície inferior.

[012] De acordo com outra realização, uma zona da porção de tomada de força da nervura que está voltada diretamente para o bordo de ataque é paralela à tangente ao bordo de ataque.

[013] De acordo com uma realização suplementar, o ângulo produzido a partir da nervura em relação à normal para a superfície superior no ponto de fixação é compreendido entre -20° e +20°, preferencialmente entre -18° e 3°.

[014] De acordo com uma realização adicional, a abscissa curvilínea do ponto de fixação ao longo do aro do rebaixo sobre o lado de superfície superior é compreendida entre 10% e 26%, preferencialmente entre 13% e 21%.

[015] De acordo com outra realização, a abscissa curvilínea do ponto de fixação ao longo do aro do rebaixo sobre o lado de superfície inferior é compreendida entre 18% e 66%, preferencialmente entre 26% e 49%.

[016] De acordo com uma realização elementar, o ângulo produzido a partir da nervura em relação à normal para a superfície inferior no ponto de fixação é compreendido entre 0° e 50°, preferencialmente entre 19° e 43°.

[017] De acordo com uma realização adicional, a abscissa curvilínea do ponto onde a nervura cruza com a linha de abaulamento da pá é compreendida entre 13% e 43%, preferencialmente entre 21% e 35%.

[018] De acordo com outra realização, o espaço entre a linha de abaulamento e o ponto de inflexão da nervura é compreendido entre - 0,8 mm e 1,2 mm, preferencialmente entre - 0,5 mm e 1,2 mm.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[019] Outras funções, objetivos e vantagens da presente invenção aparecerão mediante a leitura da descrição detalhada doravante no presente documento, e com referência às Figuras em anexo fornecidas a título de exemplos não limitantes e em que: • A Figura 1 mostra uma vista em perspectiva da ponta de uma pá de um impulsor sobre o qual um rebaixo de acordo com a primeira realização da invenção foi construído; • A Figura 2 mostra a mesma vista da primeira realização da invenção como na Figura 1, sendo que essa figura enfatiza as porções diferentes da ranhura; • A Figura 3 mostra a mesma vista da primeira realização da invenção como nas Figuras 1 e 2, sendo que essa figura permite ênfase sobre a direção da nervura na superfície inferior e na superfície superior; • A Figura 4 mostra a mesma vista da primeira realização da invenção como nas Figuras 1 a 3, sendo que essa figura permite ênfase sobre a posição do ponto de conexão entre a nervura e a superfície superior; • A Figura 5 mostra a mesma vista da primeira realização da invenção como nas Figuras 1 a 4, sendo que essa figura permite ênfase sobre a posição do ponto de conexão entre a nervura e a superfície inferior; • A Figura 6 mostra uma vista a partir de cima da pá de acordo com a primeira realização da invenção; • A Figura 7 mostra a mesma vista como na Figura 6, sendo que essa figura permite ênfase sobre o espaço entre o ponto de inflexão da nervura e a linha de abaulamento da pá; • A Figura 8 mostra a mesma vista como nas Figuras 6 e 7, sendo que essa figura permite ênfase sobre a direção da nervura em seu ponto de inflexão.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[020] É mostrada na Figura 1 e nas seguintes uma pá 1 de uma turbina de alta pressão de turbojato. No turbojato, a turbina compreende um disco sobre o qual é montada circunferencialmente uma pluralidade de pás 1. Esse disco e as pás são colocados dentro de um anel localizado a jusante de uma câmara de combustão. As pás de turbina e o anel são dimensionados de modo que a folga entre o anel e as pás seja limitada.

[021] Tal pá 1 tem um perfil aerodinâmico e tem uma superfície superior convexa 11 e uma superfície superior côncava 12 sendo que ambas se estendem entre, por um lado, uma borda a montante arredondada que forma um bordo de ataque 13 e, por outro lado, um bordo de fuga 14.

[022] Em sua ponta, destinada a estar voltada para a face interna do anel, a pá 1 tem um rebaixo 2 definido por um aro 2a que faz fronteira com o fundo 2b do dito rebaixo estendendo-se ao longo da superfície superior 11 e da superfície inferior 12, do bordo de ataque 13 até o bordo de fuga 14.

[023] O interior do dito rebaixo 2 é dividido em duas cavidades 4 e 5 por uma nervura 3 que tem a mesma altura que o aro 2a.

[024] Essa nervura 3, conforme mostrada na Figura 2, se estende entre um ponto de fixação 31 localizado sobre a porção desse aro 2a que percorre ao longo da superfície superior 11 e um ponto 32 localizado sobre a porção desse aro 2a que percorre ao longo da superfície inferior 12. O mesmo tem: • uma porção 3a que se estende da superfície superior 11 e que cria um obstáculo aos fluxos de vazamento 16 que chegam dentro da cavidade 4 através do bordo de ataque 13; • uma porção 3b que estende a porção 3a com uma inflexão e que serve como um defletor para guiar a saída de fluxos de vazamento sobre o lado de superfície inferior.

[025] Tal nervura 3 torna possível recuperar uma porção da força de carga dos fluxos de vazamento 16 que fazem pressão contra a dita nervura 3; a mesma também permite uma redução da temperatura da dita ponta da pá 1 e do anel evitando que o ar quente penetre por todo o rebaixo 2, o que contribui para aumentar a vida útil da pá 1.

[026] Em particular, de modo a maximizar a recuperação de força de carga, a zona da porção 3a da nervura 3 que está voltada diretamente para o bordo de ataque 13 (zona da porção 3a mais próxima ao mesmo) é paralela à tangente ao bordo de ataque 13, de modo a ser perpendicular à direção dos fluxos de vazamento 16 que entram através do dito bordo de ataque 13.

[027] Portanto, a porção 3a recupera a força máxima.

[028] A orientação da nervura 3 no ponto de fixação 31 também é aperfeiçoada. Em particular, o ângulo produzido a partir da nervura 3 em relação à perpendicular à superfície superior 11 no ponto de fixação 31 (na Figura 3, o ângulo α entre a tangente T31 e a normal NT11 perpendicular à tangente T11 à superfície superior 11 no ponto 31) é vantajosamente compreendido entre -20° e +20°, mar vantajosamente entre -18° e 3°, e ainda mais vantajosamente entre -16° e -14° (sendo que o sinal do ângulo α é determinado no sentido trigonométrico, a partir da normal NT11 em direção à tangente T31).

[029] A posição do ponto de fixação 31 sobre a superfície superior 11 é uma opção que é escolhida para aperfeiçoar a tomada de força dos fluxos de vazamento enquanto se evita ou limita a passagem de ar quente acima da nervura 3. Compreende-se, de fato, que quanto mais próximo o ponto de fixação 31 está do bordo de ataque 13, mais existe um risco de que uma porção do fluxo de vazamento passe sobre a nervura 3, dentro da cavidade 5, o que faz com que a eficiência da tomada de força não seja a ideal.

[030] A posição curvilínea do ponto de fixação 31 ao longo da linha de superfície superior (abscissa curvilínea X na Figura 4 - determinada entre o bordo de ataque 13 (X=0%) e o bordo de fuga 14 (X=100%)) é consequentemente, de preferência, compreendida entre 10% e 26%, mais preferencialmente entre 13% e 21%, e ainda mais preferencialmente entre 15% e 17%.

[031] Ademais, além da zona da porção 3a que está voltada para o bordo de ataque 13 e onde a taxa de fluxo dos fluxos de vazamento colide contra a nervura 3, a nervura 3 é flexionada e se estende pela porção 3b que serve como um defletor. Essa porção 3b que serve para guiar os fluxos de vazamento é orientada de modo que os ditos fluxos de vazamento deixem a superfície inferior 12 ao mesmo tempo que são tão paralelos quanto possível ao fluxo principal ao longo da superfície inferior 12.

[032] Para essa finalidade, o ponto de fixação 32 é posicionado ao longo da superfície inferior 12 ao mesmo tempo que é deslocado em direção ao bordo de fuga 14. A posição curvilínea desse ponto de fixação 32 ao longo da linha da superfície inferior (abscissa X na Figura 5 - determinada entre o bordo de ataque 13 (X=0%) e o bordo de fuga 14 (X=100%)) é preferencialmente compreendida entre 18% e 66%, vantajosamente entre 26% e 49%, e ainda mais vantajosamente entre 32% e 36%.

[033] Será observado aqui que quanto mais perto o ponto de fixação 32 está do bordo de fuga 14 mais o fluxo de vazamento presente na cavidade é guiado para sair paralelo ao fluxo principal ao longo da superfície inferior, o que é favorável à eficiência da pá. Por outro lado, o ar quente permanece mais tempo na cavidade 4, o que é desfavorável em termos de tempo de vida útil para a pá. As faixas determinadas acima para os valores das abscissas curvilíneas do ponto 32 tornam possíveis boas opções entre as propriedades aerodinâmica e aerotérmica da pá 1.

[034] O fato de que a nervura 3 compreende um ponto de inflexão permite, por um lado, a porção de tomada de força 3a estar a uma distância do bordo de ataque 13 e ter uma direção para a qual a recuperação de força de carga é a maior possível; e por outro lado a porção 3b que serve como um defletor para estar a uma distância da parede da superfície inferior 12 e para ter uma direção que permite o aperfeiçoamento das propriedades aerodinâmica e aerotérmica da pá 1. É a inflexão da nervura 3 que torna possível obter, em uma única nervura, um formato que fornece uma opção entre os diferentes formatos possíveis de nervuras internas que aperfeiçoam apenas um parâmetro da pá 1, em detrimento dos outros parâmetros.

[035] A orientação da nervura 3 no ponto de fixação 32 também pode ser aperfeiçoada, em particular para permitir a liberação do rebaixo 2 do molde no caso da fabricação da pá por fundição (fundição de cera perdida). Essa é a razão pela qual a nervura 3 tem, no ponto de fixação, uma porção 3c que é flexionada em relação à porção 3b que forma um defletor na extensão da porção 3a. O ângulo produzido por essa porção 3c em relação à perpendicular à superfície inferior 12 (na Figura 3, o ângulo β entre a tangente T32 e a normal NT12 perpendicular à tangente T12 da superfície inferior 13 no ponto 32) é vantajosamente compreendido entre 0° e 50°, preferencialmente entre 19° e 43°, e ainda mais preferencialmente entre 35° e 40° (sendo que o sinal do ângulo β é determinado no sentido trigonométrico, da normal NT12 em direção à tangente T32).

[036] O aperfeiçoamento do formato da nervura 3 pode também considerar os meios pelos quais o mesmo se estende em relação à linha de abaulamento da pá 1.

[037] Em particular, conforme mostrada na Figura 6, a posição do ponto 33 onde a nervura 3 cruza a linha de abaulamento S da pá 1 é preferencialmente compreendido entre 13% e 43%, preferencialmente entre 21% e 35%, e mais preferencialmente entre 25% e 29% (na Figura 6, a abscissa X ao longo da linha de abaulamento S - determinada entre o bordo de ataque 13 (X=0%) e o bordo de fuga 14 (X=100%)).

[038] A linha de abaulamento S é a linha que consiste do conjunto de pontos equidistantes da superfície inferior 12 e da superfície superior 11.

[039] Ademais, o espaço entre a linha de abaulamento S e o ponto de inflexão 34 da nervura 3 podem ser aperfeiçoados (Figura 7) de modo a ser compreendido entre - 0,8 mm e 1,2 mm, preferencialmente entre - 0,5 mm e 1,2 mm, e ainda mais preferencialmente entre 1,1 mm e 1,2 mm (sendo que o sinal da distância é positivo quando o ponto de inflexão 34 está entre a linha de abaulamento S e a superfície inferior 12 e negativo quando de outro modo).

[040] A orientação da porção 3b pode ser aperfeiçoada também. O ângulo θ formado pela tangente T34 (Figura 8) da nervura 3 no ponto de inflexão 34 e a tangente TS da linha de abaulamento S no ponto de intersecção entre a tangente T34 e a linha de abaulamento S é compreendido, para essa finalidade, entre -20° e +20°, preferencialmente entre -15,4° e +5,1°, e mais preferencialmente entre -10,8° e -9,7° (sendo que o sinal do ângulo θ é definido no sentido trigonométrico, da tangente T34 em direção à tangente TS).

[041] Ademais, as aberturas 6 e 7 podem também ser fornecidas no aro 2a, sobre o lado da superfície inferior 12, para facilitar o escape de ar quente nas cavidades 4 e 5. Por exemplo, a abertura 6 da cavidade 4 está em direta proximidade à nervura 3, enquanto a abertura 7 da cavidade 5 está em proximidade direta ao bordo de fuga 14.

Claims

1. PÁ DE TURBINA (1) de um motor de turbina que compreende uma superfície superior (11), uma superfície inferior (12), um bordo de ataque (13) e um bordo de fuga (14) assim como um rebaixo (2) em suas pontas, sendo que o rebaixo (2) compreende pelo menos uma nervura interna (3), caracterizada pela nervura (3) se estender de um ponto de fixação (31) do aro (2a) do rebaixo (2) sobre o lado da superfície superior (11) até um ponto de fixação (32) do aro (2a) do rebaixo (2) sobre o lado de superfície inferior (12) e inclui uma porção de tomada de força (3a) para fluxos de vazamento (16) que se estendem da superfície superior (11) e de uma porção (3b) que forma um defletor que estende a porção de tomada de força (3a) com uma inflexão e guia os fluxos de vazamento (16) em direção à superfície inferior (12).

2. PÁ (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por uma zona da porção de tomada de força (3a) da nervura (3) que está voltada diretamente para o bordo de ataque (13) ser paralela à tangente do bordo de ataque (13).

3. PÁ (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por um ângulo (α) produzido a partir da nervura (3) em relação à uma normal (NT11) para a superfície superior (11) no ponto de fixação (31) ser compreendido entre -20° e +20°.

4. PÁ (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por uma abscissa curvilínea do ponto de fixação (31) ao longo do aro (2a) do rebaixo (2) sobre o lado de superfície superior (11) ser compreendida entre 10% e 26%.

5. PÁ (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela abscissa curvilínea do ponto de fixação (32) ao longo do aro (2a) do rebaixo (2) sobre o lado de superfície superior (12) ser compreendida entre 18% e 66%.

6. PÁ (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por um ângulo (β) produzido a partir da nervura (3) em relação à normal (NT12) para a superfície superior (12) no ponto de fixação (32) ser compreendido entre 0° e 50°.

7. PÁ (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela abscissa curvilínea do ponto (33) onde a nervura (3) cruza com uma linha de abaulamento (S) da pá (1) ser compreendida entre 13% e 43%.

8. PÁ (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo espaço entre uma linha de abaulamento (S) e o ponto de inflexão (34) da nervura (3) ser compreendido entre -0,8 mm e 1,2 mm.

9. DISCO DE TURBINA, caracterizado por compreender pás (1), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.

10. TURBINA DE ALTA PRESSÃO DE TURBOJATO caracterizada por compreender pás (1), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.