BR112017008463B1

BR112017008463B1 - Trocador de calor e motor de turbina compreendendo tal trocador

Info

Publication number: BR112017008463B1
Application number: BR112017008463-5A
Authority: BR
Inventors: Gilles Yves Aouizerate; Benjamin BOUDSOCQ; Gérard Philippe Gauthier
Original assignee: Safran Aircraft Engines
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2021-03-23
Also published as: EP3213025B1; EP3213025A1; US10739086B2; WO2016066935A1; FR3028021B1; RU2017114973A3; CA2965396A1; CA2965396C; RU2689238C2; RU2017114973A; FR3028021A1; CN107110623B; BR112017008463A2; CN107110623A; US20170321972A1

Abstract

a invenção se refere a um trocador de calor (10) entre um primeiro fluido e um segundo fluido, compreendendo uma membrana que separa os dois fluidos e um elemento (17) condutor de calor em contato térmico com a membrana, por um lado, e com o primeiro fluido, por outro lado, caracterizado pelo fato de que tal elemento (17) condutor de calor é móvel entre uma posição ativa e uma posição inativa, de tal forma que a capacidade de troca de calor com o primeiro fluido seja menor da posição inativa do que na posição ativa. a troca é aplicada em particular ao resfriamento de fluido no corpo secundário de um turborreator de fluxo múltiplo.

Description

TROCADOR DE CALOR E MOTOR DE TURBINA COMPREENDENDO TAL TROCADOR

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere ao campo dos trocadores de calor e sua aplicação ao resfriamento de fluidos de um motor de turbina, tal como um turborreator ou um turbopropulsor, o trocador sendo disposto em particular sobre uma parede do motor de turbina ou, ainda, em sua nacela.

ESTADO DA TÉCNICA

[002] O estado da técnica compreende notadamente os documentos US-A1-2011/030337, US-A1-2009/314265 e US-A1-2003/043531.

[003] É conhecida a prática, nos turborreatores de fluxo múltiplo, de dispor trocadores de calor, tais como trocadores ar-ar de superfície, no corpo secundário para resfriar os fluidos que circulam no motor, por exemplo, o ar removido no nível dos compressores. Trata-se de beneficiar-se de coeficientes de trocas térmicas elevados que resultam da circulação a grande velocidade de um fluxo de ar externo frio nesse corpo.

[004] No entanto, em contrapartida, os elementos do trocador que estão em contato com esse fluxo para garantir as trocas térmicas geram perdas de carga no fluxo. Essas afetam negativamente o desempenho do motor, em especial quando a necessidade de resfriamento não coincide necessariamente com as fases de voo de fortes ponderações do ponto de vista do desempenho. Assim, durante as fases de voo do tipo cruzeiro, o motor não possui necessariamente a necessidade de um resfriamento muito significativo, enquanto as fases de decolagem duram apenas alguns minutos e induzem, por sua vez, uma grande necessidade de resfriamento.

[005] O demandante fixou como objetivo reduzir as perdas de carga que o trocador de calor é capaz de criar sobre o fluxo de ar secundário quando a necessidade de resfriamento for menor. Mais genericamente, o demandante fixou o objetivo de produzir um trocador de calor cujas trocas térmicas entre os fluidos em movimento possam ser controladas de forma a reduzir o impacto das peças do trocador sob as características de fluxo de um dos fluidos quando isso for desejado.

EXPOSIÇÃO DA INVENÇÃO

[006] Obtém-se a realização desses objetivos com um trocador de calor entre um primeiro fluido e um segundo fluido, compreendendo uma membrana que separa os dois fluidos e um elemento condutor de calor em contato térmico com a membrana, por um lado, e com o primeiro fluido, por outro lado, tal elemento condutor de calor é móvel entre uma posição ativa e uma posição inativa, de tal forma que a capacidade de troca de calor com o primeiro fluido seja menor da posição inativa do que na posição ativa, caracterizado pelo fato de que tal elemento é posto em pré-carga em posição ativa e a passagem da posição ativa para a posição ativa é obtida por flambagem da membrana.

[007] A solução da invenção consiste, portanto, em modificar a exposição do elemento condutor de calor em relação ao primeiro fluido de modo a reduzir a resistência ao fluxo gerada por ele.

[008] Na presente demanda, entende-se por flambagem da membrana o fato de que a membrana é submetida a uma força, preferencialmente de compressão, que gera uma flexão e uma deformação da membrana em geral em uma direção perpendicular à direção de aplicação da força (passagem de um estado de compressão a um estágio de flexão).

[009] Tal elemento é preferencialmente posto em pré-carga em compressão seguindo um eixo significativamente paralelo a um eixo em torno do qual flexão da membrana ocorreu quando de sua flambagem.

[010] De acordo com uma modalidade, o elemento condutor de calor possui um formato de lâmina. A lâmina é solidária à membrana por uma borda de ligação e, em posição ativa, afastada da membrana de modo a estar em contato com o primeiro fluido por suas duas faces.

[011] Mais particularmente, a lâmina em posição inativa é disposta por uma face próxima à membrana. Nessa posição, a lâmina está, preferencialmente, em contato com o primeiro fluido apenas por uma face que reduz as trocas térmicas com o fluido.

[012] Ainda, a lâmina a, em posição ativa, um formato curvado, se afastando da membrana a partir da borda de ligação. Assim, entre essas duas posições, as trocas térmicas são controladas de forma simples e eficaz.

[013] De acordo com outra característica, a borda de ligação é retilínea e a lâmina é curvada em torno da borda de ligação em posição ativa. Notadamente, a passagem da posição ativa para a posição inativa é obtida pela deformação da membrana ao longo da borda de ligação da lâmina à membrana. A deformação da membrana que forma o suporte da lâmina induz uma deformação da lâmina entre dois estados: um primeiro estado no qual a lâmina é curvada seguindo uma direção paralela à linha formada pela borda de ligação e um segundo estado onde a lâmina é curvada perpendicularmente à borda de ligação. Notadamente, a lâmina se combina à membrana quando essa última possui um formato de porção de cilindro.

[014] De acordo com uma outra característica, deformação da membrana é obtida pela aplicação de uma força paralela ao plano da membrana. Essa força é vantajosamente uma força de compressão. Essa deformação é preferencialmente obtida pela força de um elemento que forma um pistão.

[015] A invenção se refere igualmente à aplicação do trocador de calor ao resfriamento de um fluido em um motor de turbina, tal como um turborreator.

APRESENTAÇÃO DAS FIGURAS

[016] A invenção será melhor compreendida e outros objetivos, detalhes, características e vantagens desta aparecerão mais claramente com a leitura da descrição explicativa detalhada que se seguirá de uma modalidade da invenção dada a título de exemplo puramente ilustrativo e não limitante, em referência aos desenhos esquemáticos em anexo.

[017] Nesses desenhos:

- A Figura 1 é uma representação esquemática de um turborreator de fluxo duplo ao qual o trocador de calor da invenção pode ser integrado;
- A Figura 2 exibe o trocador de calor de acordo com a invenção em um estado no qual os elementos condutores de calor estão eretos (do francês, dressés) em posição ativa.
- A Figura 3 exibe o trocador de calor da Figura 2 em um estado no qual os elementos condutores de calor são dobradas em posição inativa.
- A Figura 4 exibe o trocador de calor da invenção visto por debaixo do lado dos coletores de fluido;
- A Figura 5 é uma vista em detalhe do trocador de calor da Figura 2 com um elemento condutor em posição ativa, o interior é visível por transparência;
- A Figura 6 é uma vista do trocador de calor da Figura 3 com um elemento condutor de calor em posição inativa; o interior é visível por transparência.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE UMA MODALIDADE DA INVENÇÃO

[018] Um turborreator compreende um duto de entrada de ar, à montante, pela qual o ar é aspirado para dentro do motor e um bocal à jusante pela qual os gases quentes produzidos pela combustão de um carburante são ejetados para fornecer ao menos uma parte da propulsão. Entre o duto de entrada e o bocal de ejeção dos gases, o ar aspirado é comprimido por meios de compressão, aquecido e detido nas turbinas que acionam os meios de compressão. Os turborreatores de fluxo múltiplo compreendem, ainda, ao menos um rotor de ventoinha que desloca uma massa significativa de ar, formando o fluxo secundário e fornecendo o essencial da propulsão, o fluxo primário sendo a parte do fluxo de ar aspirado que é aquecida e, depois, detida na turbina, antes de ser ejetada através do bocal de fluxo primário. O turborreator da Figura 1 é de fluxo duplo e corpo duplo com, sucessivamente no sentido do percurso do ar no motor, uma entrada de ar 1 à montante, uma ventoinha 2 que faz fluir o ar em um canal de fluxo secundário anelar 3 e no sentido dos compressores 4 de fluxo primário no centro, a câmara de combustão 5, e os estágios de turbina 6. Aqui, o fluxo secundário é ejetado de forma separada através de um bocal de fluxo secundário. Na parte à montante do motor, os rotores são suportados pelo cárter de escape 7. O fluxo primário é ejetado através do bocal 8 de fluxo primário à jusante do cárter de escape. O fluxo é anelar e o corpo do fluxo primário é delimitado internamente pelo cone de escape 9. O cone 9 é uma peça oca de formato significativamente de tronco de cone, solidário ao cárter de escape.

[019] Como mencionado acima, é conhecida a prática de dispor de um trocador de calor 10 no corpo secundário 3 com o objetivo de resfriar um fluido que pode ser do ar coletado do compressor. Um exemplo de trocador capaz de cumprir essa função compreende um circuito, no qual circule um fluido a ser resfriado. Esse circuito está em contato térmico com uma membrana de troca térmica com o fluido frio que circula no corpo secundário. Lâminas são geralmente projetadas na membrana do lado da superfície de troca voltada para o sentido do fluxo frio para aumentar a capacidade de troca térmica e melhorar o resfriamento. Essas lâminas se estendem perpendicularmente à membrana no fluxo secundário e criam uma perda de carga nesta.

[020] Para controlar a perda de carga no fluxo secundário, é proposto de acordo com a invenção que se torne as lâminas móveis entre uma posição ativa de troca térmica ótima e uma posição que é designada como inativa, onde as trocas térmicas têm menor desempenho, mas onde a perda de carga gerada pela presença do trocador é reduzida.

[021] O trocador 10 da invenção é representado nas Figuras 2 a 6. Ele compreende um compartimento com uma parede de fundo 11, uma série de partições 13 perpendiculares à parede de fundo 11 e que delimitam entre si e o fundo uma série de canais 12 paralelos entre si. Esses canais são cobertos de membranas 15 e se comunicam com um primeiro coletor 12a em uma extremidade e um segundo coletor 12b na outra extremidade do compartimento. O compartimento é alimentado com fluido pelo primeiro coletor. Após ter circulado nos canais 12, o fluido pode ser recuperado pelo segundo coletor 12b na outra extremidade do compartimento. O compartimento é destinado a ser posicionado, aqui, ao longo do corpo secundário 3 do turborreator, de modo que as membranas estejam em contato com um fluido a uma temperatura diferente para uma troca térmica entre o fluido que circula nos canais e o fluido que percorre a superfície externa das membranas. Na aplicação aqui vislumbrada, o fluxo que circula no exterior dos canais é o primeiro fluido e o fluido que circula dentro dos canais é o segundo fluido. O primeiro fluido é o fluxo secundário frio e o segundo fluido é o fluido a ser resfriado.

[022] Para melhorar as trocas térmicas entre os dois fluidos, são montados elementos 17 condutores de calor sobre as membranas 15 do lado do primeiro fluido; trata-se de lâminas metálicas 171 que oferecem uma grande superfície de contato com um volume reduzido. Essas lâminas 171 são fixadas às membranas 15 ao longo de uma borda de ligação 173 por soldagem ou brasagem, por exemplo. Suas duas faces de lâminas 171 de maiores dimensões constituem as principais superfícies de troca térmica com o primeiro fluido no qual elas são submergidas. Vantajosamente, as bordas de ligação são paralelas à direção de fluxo do fluido com o qual as lâminas estão em troca térmica.

[023] De acordo com a invenção, as lâminas 171 são móveis entre uma posição ativa, onde estão eretas em relação à membrana que lhes suporta, e uma posição inativa, onde elas são dobradas contra a membrana. Estando eretas, elas apresentam suas duas faces ao primeiro fluido para uma transferência de calor máxima entre os dois fluidos. Na posição inativa, as lâminas 171, estando chapadas contra a membrana, ou ao menos estendidas ao longo desta, têm uma capacidade de troca térmica menor do que na posição ativa, pois a superfície de troca se limita a uma face da lâmina. As resistências ao fluxo são igualmente menores do que na posição ativa, pela mesma razão.

[024] Um dos aspectos da invenção se refere ao meio de fazer as lâminas 171 passarem de uma posição para a outra.

[025] As membranas 15 que cobrem os canais 12 são fixadas, de um lado 151, ao longo de uma partição 13 e, do outro, em uma partição 13 oposta. Essas membranas 15 são solidárias a um elemento 153 que forma um pistão. O elemento 153 que forma um pistão é móvel no interior de uma câmara 131 de cilindro disposta ao longo da partição. O pistão é móvel paralelo ao plano da membrana, seguindo uma direção transversal em relação aos canais 12. O deslocamento do pistão é controlado por um fluido de controle alimentado por um duto 133 na entrada da câmara. De forma mais geral, o cilindro formado pelo pistão e pela câmara de cilindro compreende qualquer peça motora capaz de exercer uma força de compressão sobre a membrana em paralelo a seu plano. A energia de acionamento da peça motora ou do cilindro pode ser o ar sob pressão removido, por exemplo, dos primeiros estágios do compressor.

[026] A membrana 15 é escolhida em um material preferencialmente metálico por suas propriedades de condução do calor e de resiliência. A membrana é arranjada de modo que possa ser deformada pelo deslocamento do pistão entre uma primeira posição, onde ele não está submetido a uma pressão do fluido e controle, e uma segunda posição, onde é empurrado pelo fluido de controle introduzido dentro da câmara do cilindro. Na primeira posição do pistão, a membrana é plana, como se pode ver na Figura 2. Na segunda posição, a membrana é curvada, como se pode ver na Figura 3. Ela assume um formato de porção de cilindro.

[027] Os elementos condutores de calor 17 são igualmente produzidos com um material preferencialmente metálico por suas propriedades de condução de calor e de resiliência. Exemplos não limitantes de materiais são o alumínio ou uma liga com base em níquel. O alumínio é preferencialmente escolhido para temperaturas inferiores a 200⍛C e as ligas à base de níquel, como o Inconel®, para temperaturas superiores.

[028] As lâminas 171 que formam os elementos 17 possuem um formato curvado em torno da borda de ligação das lâminas 171 com a membrana. Esse formato curvado é obtido por deformação plástica em torno de um eixo paralelo à linha de borda de ligação. De acordo com uma modalidade, a lâmina é um compósito laminar feito de um empilhamento de duas lâminas de material, uma das duas lâminas tendo sido aquecida antes de ser colada na segunda. Após o retorno à temperatura ambiente e após a colagem, a lâmina compósita é posta em pré-carga. Esse exemplo não é limitante. Uma simples lâmina dobrada ou embutida convém, na medida em que seja suscetível a assumir as duas posições.

[029] Como se pode ver nas Figuras 2 a 6, a membrana 15 que cobre os canais 12 é provida de uma série de lâminas 171 fixadas ao longo de bordas de ligação perpendiculares à direção dos canais.

[030] Em repouso, quando não está submetida ao fluido de controle, a membrana é plana e as bordas de ligação são retilíneas. As lâminas 171 estão, portanto, em seu formato de repouso e curvadas em torno das bordas de ligação 173.

[031] Quando as câmaras de cilindro 133 são alimentadas com fluido de controle, os pistões são empurrados na direção da partição 13 oposta, acionando a deformação da membrana 15, que assume um formato oco. As bordas de ligação, sendo solidárias à membrana, seguem a deformação desta. A deformação das bordas de ligação gera a deformação das lâminas, cuja curvatura se combina à da membrana. Segue-se que as lâminas são chapadas contra a membrana. Dispõe-se, assim, de um meio simples e robusto de deslocamento das lâminas que formam os elementos condutores de calor entre uma posição ativa, onde elas estão eretas em relação à membrana, e uma posição inativa, onde a superfície de condução de calor é reduzida.

[032] Um trocador como este pode ser utilizado no interior do corpo secundário de um turborreator de fluxo duplo. O ar frio do corpo é o primeiro fluido. O fluido a ser resfriado é posto em circulação no interior dos canais, formando o segundo fluido. Quando o resfriamento do segundo fluido for prioritário, a membrana de calor é mantida plana e os elementos condutores de calor estão, portanto, em posição ativa. Quando o resfriamento do segundo fluido não for prioritário, o fluido de controle é introduzido na câmara do cilindro, acionando o deslocamento do pistão, a deformação da membrana e a mudança de curvatura das lâminas; elas assumem uma posição inativa.

Claims

Trocador de calor entre um primeiro fluido e um segundo fluido, compreendendo uma membrana (15) que separa os dois fluidos e um elemento (17) condutor de calor em contato térmico com a membrana (15), por um lado, e com o primeiro fluido, por outro lado, tal elemento (17) condutor de calor é móvel entre uma posição ativa e uma posição inativa, de tal forma que a capacidade de troca de calor com o primeiro fluido seja menor da posição inativa do que na posição ativa, caracterizado pelo fato de que tal elemento é posto em pré-carga em posição ativa e a passagem da posição ativa para a posição inativa é obtida por flambagem da membrana.
Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que seu elemento (17) condutor de calor possui um formato de lâmina (171), a lâmina sendo solidária à membrana por uma borda de ligação (173) e, em posição ativa, afastada da membrana (15) de modo a estar em contato com o primeiro fluido por suas duas faces.
Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que sua lâmina (171) em posição inativa é disposta por uma face próxima à membrana (15).
Trocador de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 e 3, caracterizado pelo fato de que sua lâmina (171) possui, em posição ativa, um formato curvado, se afastando da membrana (15) a partir da borda de ligação (173).
Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que sua borda de ligação é retilínea e a lâmina é curvada em torno da borda de ligação em posição ativa.
Trocador de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que sua passagem da posição ativa para a posição inativa é obtida pela deformação da membrana ao longo da borda de ligação da lâmina à membrana.
Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que sua deformação da membrana é obtida pela aplicação de uma força paralela ao plano da membrana.
Trocador de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que sua deformação da membrana é obtida pela aplicação de uma força de compressão.
Trocador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que compreende um pistão por meio do qual a força é aplicada sobre a membrana.
Motor de turbina, caracterizado pelo fato de que compreende um trocador de calor, tal como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9.