BR112017012436B1

BR112017012436B1 - Turbomáquina

Info

Publication number: BR112017012436B1
Application number: BR112017012436-0A
Authority: BR
Inventors: Laurence Francine Vion; Mathieu Simon Paul Gruber
Original assignee: Safran Aircraft Engines
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2021-12-14
Also published as: RU2718866C2; FR3030446B1; US10494086B2; BR112017012436A2; CA2970092C; RU2017124871A3; BR112017012436B8; US20170369153A1; JP6758293B2; CA2970092A1; EP3233627A1; WO2016097635A1; CN107108015B; RU2017124871A; JP2018501142A; FR3030446A1; CN107108015A; EP3233627B1

Abstract

A presente invenção se refere a uma turbomáquina (1) que compreende pelo menos duas hélices não carenadas (10, 11) sendo uma hélice a montante (10) e uma hélice a jusante (11), sendo que a hélice a montante (10) compreende uma pluralidade de pás (2) em que pelo menos uma primeira pá apresenta um comprimento diferente de pelo menos uma segunda pá.

Description

CAMPO DA TÉCNICA

[001] A presente invenção refere-se às turbomáquinas do tipo rotor aberto contrarrotativo.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Os motores com ventiladores “não carenados” (ou turbopropulsores do tipo “Propfan” ou “Open rotor”) são um tipo de turbomáquina cujo ventilador é fixado fora do invólucro do motor, contrariamente aos turborreatores clássicos (do tipo “Turbofan”) nos quais o ventilador é carenado.

[003] É conhecido nomeadamente o “Contra-Rotating Open Rotor” (CROR, rotor aberto contrarrotativo), representado pela Figura 1, que é equipado de duas hélices que giram em sentidos opostos. O mesmo apresenta um grande interesse por conta de seu rendimento propulsor particularmente elevado.

[004] O propósito desse tipo de motor é, assim, de manter a velocidade e os desempenhos de um turborreator enquanto conserva um consumo de combustível similar àquele de um turbopropulsor. O fato de o ventilador não ser mais carenado permite, de fato, aumentar o diâmetro e a vazão de ar útil para a propulsão.

[005] Contudo, a ausência de carenagem causa problemas de certificação, nomeadamente acústica. De fato, o ruído gerado pelas hélices de open rotor se propaga em campo livre. Além disso, as fontes de ruído são inúmeras nesse tipo de arquitetura. Nos pontos de certificação acústica, é conhecido que a principal fonte de ruído provém das estruturas turbulentas resultantes das pás da hélice a montante e que vêm a impactar as pás da hélice a jusante. As normas atuais impõem um limite máximo de ruído em zonas próximas ao solo, isto é, no momento da decolagem e da aproximação. Essas normas são cada vez mais restritivas com o tempo e é importante prever esse aumento de severidade para que os motores as cumpram no dia de sua entrada em serviço.

[006] Existem duas abordagens diferentes para reduzir esse ruído de interação: - o “clipping”: a hélice a jusante tem diâmetro inferior à hélice a montante de maneira que os vórtices de extremidade emitidos por essa última passem por cima da primeira, de modo a evitar o impacto gerador de ruído. Essa opção necessita, no entanto, de redesenhar as pás da hélice a jusante alongando-se os cabos de maneira a garantir uma tração suficiente. Além disso, o clippingnão permite evitar o impacto das estruturas turbulentas quando o avião está em incidência; - modificar a geometria das pás da hélice a montante de modo a reduzir a intensidade das estruturas turbulentas emitidas pela pá a montante, e sua distribuição na esteira. Isso permite que as flutuações de cargas não estacionárias na hélice a jusante tenham amplitude menor. Será citado, por exemplo, os pedidos de patente nos FR2980818 e FR2999151. Contudo, essa opção se revela complexa, e necessita de diminuir a carga da hélice a montante e sua tração.

[007] Portanto, seria desejável encontrar uma arquitetura simples e eficaz de hélice não carenada que se liberte das limitações anteriores, e permita uma melhora sensível e constante (incluindo em incidência) dos desempenhos aeroacústicos do motor sem perdas de tração.

APRESENTAÇÃO DA INVENÇÃO

[008] A presente invenção propõe, de acordo com um primeiro aspecto, uma turbomáquina que compreende pelo menos duas hélices não carenadas, sendo uma hélice a montante e uma hélice a jusante, sendo que a hélice a montante compreende uma pluralidade de pás em que pelo menos uma primeira pá apresenta um comprimento diferente de pelo menos uma segunda pá.

[009] De acordo com outras características vantajosas e não limitantes: • duas pás consecutivas da hélice a montante apresentam comprimentos diferentes; • as pás da hélice a montante são divididas em nε [[2; +~[ grupos de pás de comprimento igual, sendo pelo menos um grupo de primeiras pás e pelo menos um grupo de segundas pás; • todos os grupos de pás apresentam comprimentos de pá diferentes; • todos os grupos de pás compreendem a mesma quantidade de pás; • as pás são dispostas ao redor da hélice a montante de modo que cada subconjunto de n pás consecutivas compreenda uma pá de cada grupo; • a hélice a montante compreende 2kn, kε N*, pás, duas pás diametralmente opostas na hélice a montante pertencentes ao mesmo grupo; • a hélice a montante compreende (2k + 1)n, kε N, pás, e pelo menos um contrapeso disposto de maneira diametralmente oposta a uma primeira pá; • o número n de grupos de pás é dois ou três; • a hélice a jusante compreende uma pluralidade de pás que apresenta o comprimento da primeira pá; • a dita segunda pá é uma primeira pá truncada; • a dita segunda pá é mais curta que a primeira pá de 0,5% a 5%; • as hélices são contrarrotativas; • a hélice a jusante é fixa.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[010] Outras características e vantagens da presente invenção surgirão mediante a leitura da descrição que segue de um modo de realização preferencial. Essa descrição será dada com referência aos desenhos anexos, nos quais: • a Figura 1 anteriormente descrita representa um exemplo de rotor aberto contrarrotativo; • a Figura 2a representa uma hélice a montante não carenada de uma turbomáquina conhecida; • as Figuras 2b e 2c representam dois modos de realização de uma hélice a montante de uma turbomáquina de acordo com a invenção; - a Figura 3 ilustra o deslocamento das linhas de corrente observado em um modo de realização de uma turbomáquina de acordo com a invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO ROTOR ABERTO

[011] Em referência à Figura 1, é proposta uma turbomáquina 1 que compreende pelo menos duas hélices 10, 11 não carenadas, sendo uma hélice a montante 10 e uma hélice a jusante 11 (de acordo com o sentido de escoamento de fluido). Será compreendido que outras hélices podem ser dispostas a jusante das primeiras.

[012] Essa turbomáquina 1 é preferencialmente do tipo “open rotor” (CROR), e compreende assim um gerador de gás 4 (isto é, o “núcleo” da turbomáquina, que realiza nomeadamente uma combustão do combustível) central em relação ao eixo geométrico de escoamento de gás (em um invólucro), que compreende uma turbina que coloca em rotação as hélices 10, 11, as quais são, nesse exemplo, contrarrotativas (isto é, a hélice a montante 10 apresenta um sentido de rotação inverso da hélice a jusante 11). A turbomáquina pode ser tanto um open rotor “pusher” (as hélices 10, 11 estão a jusante do gerador de gás 4, e vão “empurrar” a turbomáquina 1) como um open rotor “puller” (as hélices 10, 11 estão a montante do gerador de gás 4, e vão “puxar” a turbomáquina 1).

[013] Nota-se, além disso, que as hélices 10, 11 não são obrigatoriamente contrarrotativas e que a segunda hélice 11 pode ademais ser um estator (isto é, uma hélice fixa), em que a turbomáquina 1 é então do tipo denominado USF (“Unducted Single Fan”).

[014] Em todos os casos, cada hélice 10, 11 apresenta uma pluralidade de pás 2 que se estendem substancialmente de modo radial desde o invólucro central. As hélices 10, 11 definem ao redor do invólucro central um ventilador não carenado da turbomáquina 1.

CONFIGURAÇÃO DAS PÁS

[015] De maneira conhecida, consultar Figura 2a, as pás 2 das hélices 10, 11 são de mesmo comprimento. Em outros termos, o “raio” (isto é, a distância até o eixo geométrico de rotação da hélice 10, 11) da extremidade de todas as pás 2 é constante. Na sequência da presente descrição, será utilizado, por conveniência, o termo de “comprimento” de pá, mas será compreendido que, por comprimento de uma pá 2, entende-se o raio até sua extremidade, isto é, a distância entre o eixo geométrico de rotação da hélice 10, 11 que sustenta a pá 2 (de maneira geral, o eixo geométrico de rotação das hélices 10, 11 visto que esse é comum) e a extremidade da pá 2.

[016] A presente turbomáquina se distingue pelo fato de que, em contraste, pelo menos uma primeira pá 2a da hélice a montante 10 apresenta um comprimento diferente de pelo menos uma segunda pá 2b, 2c da hélice a montante 10 (em outros termos, a hélice a montante compreende pelo menos duas pás 2a, 2b, 2c de comprimento diferentes). Por convenção, a primeira pá 2a é escolhida mais longa que a segunda pá 2b, 2c. Será visto mais adiante que é possível ter vários comprimentos de segunda pá 2b, 2c.

[017] Isso permite que as estruturas turbulentas emitidas pelas pás 2a, 2b, 2c da hélice a montante 10 impactem as pás 2 da hélice a jusante 11 em posições radiais diferentes.

[018] Cada vórtice de ponta de pá emitido segue de fato a linha de corrente que passa pelo bico (isto é, a extremidade) da pá 2a, 2b, 2c da hélice a montante. Essa linha de corrente é restrita pela contração do escoamento devido à aspiração das hélices.

[019] Por consequência, se uma segunda pá 2b, 2c da hélice a montante 10 tiver um comprimento reduzido, a linha de corrente que passa por seu bico está a um raio inferior àquele de uma primeira pá 2a de comprimento superior. Assim, como mostra a Figura 3, o vórtice causado por uma segunda pá 2b, 2c vai impactar a hélice a jusante 11 mais baixo que aquele causado por uma primeira pá 2a. Dessa maneira, os vórtices da hélice a montante 10 associados às diferentes pás 2a, 2b, 2c vão impactar uma mesma pá 2 da hélice a jusante 11 em posições radiais diferentes (enquanto os impactos seriam todos no mesmo local para uma hélice a montante 10 com pás de comprimento uniforme), permitindo, assim, uma defasagem das fontes acústicas, que levam a uma diminuição do nível acústico irradiado.

[020] Essa configuração se aplica no caso em que os vórtices da hélice a montante 10 impactam a hélice a jusante 11 (completamente ou parcialmente), isto é, que a hélice a jusante 11 não está cortada, ou está cortada insuficientemente. Em um modo de realização preferencial, todas as pás 2 da hélice a jusante 11 apresentam o mesmo comprimento e, em particular, o comprimento da primeira pá 2a da hélice a montante 10.

[021] De maneira preferencial, uma segunda pá 2b, 2c é simplesmente uma primeira pá 2a encurtada. Em outros termos, o projeto da pá não é modificado, somente a extremidade é truncada.

[022] Essa modificação não deve ser muito significativa a fim de não modificar os desempenhos aerodinâmicos das hélices 10, 11, mas deve ser suficiente de maneira a vir defasar as fontes acústicas. Vantajosamente, a dita segunda pá 2b, 2c (em particular, a mais curta das segundas pás 2b, 2c, se houver vários comprimentos) é mais curta que a primeira pá 2a de 0,5% a 5%.

[023] Um cálculo estacionário axissimétrico permitiu, de fato, determinar que uma diminuição do raio de uma segunda pá 2b, 2c (em relação a uma primeira pá 2a) da hélice a montante 10 de 0,8% (com isocalagem de pá) causa, na altitude de cruzeiro, uma perda de tração de 0,3% nessa pá 2b, 2c e uma perda desprezível em uma pá 2 da hélice a jusante 11. O rendimento de uma pá da hélice a montante 10 perde assim 0,02 pontos, e aquele de uma pá da hélice a jusante, 0,05 pontos, o que é aceitável.

[024] O mesmo cálculo na decolagem dá uma perda de 1,3% para a tração nessa pá 2b, 2c e uma perda desprezível em uma pá 2 da hélice a jusante 11. O rendimento de uma pá da hélice a montante 10 perde assim 0,15%, e aquele de uma pá da hélice a jusante 11 não é influenciado.

[025] Se as perdas de tração forem muito significativas, pode-se escolher uma calagem comum a todas as pás (de uma mesma hélice, a jusante, a montante ou as duas) que permita recuperar a tração.

[026] Uma consequência suplementar da variação dos comprimentos de pás 2b, 2c na hélice a montante 10 é a modificação das velocidades de propagação azimutal dos vórtices no escoamento inter-hélice. De fato, a velocidade periférica Ui da extremidade de uma segunda pá 2b, 2c é reduzida proporcionalmente à diminuição do raio (Ui = QRi, em que Q é a velocidade de rotação da hélice a montante 10 e Ri é o raio da segunda pá 2b, 2c). Essa modificação de velocidade causa uma defasagem temporal das fontes acústicas além da defasagem espacial.

[027] A velocidade azimutal do vórtice marginal que escapa da cabeça da segunda pá 2b, 2c é, portanto, igualmente reduzida. Para uma variação suficiente dos comprimentos entre a primeira e a segunda pás 2a, 2b, 2c, a propagação em azimute dos vórtices entre as hélices 10, 11, e, portanto, a interação com a hélice a jusante 11, não é mais axissimétrica. Da mesma maneira, essa modificação causa uma defasagem temporal das fontes acústicas.

[028] Além de introduzir uma defasagem suplementar entre as fontes, tem-se como resultado uma modificação da periodicidade das interações e, portanto, de suas frequências no espectro audível. Sob a hipótese de que a energia acústica é conservada, os níveis de ruído podem localmente (em frequência) diminuir e a largura de raia (isto é, pico em frequência no espectro acústico) se expandir, ou então se separar em diferentes raias de interações a frequências mais baixas.

GRUPOS DE PÁS

[029] De acordo com modos de realização vantajosos, as primeiras e as segundas pás 2a, 2b, 2c se organizam de acordo com certos padrões predeterminados. Em particular, é desejável que duas pás 2a, 2b, 2c consecutivas da hélice a montante 10 apresentem comprimentos diferentes, isto é, que as primeiras pás 2a sejam separadas pelas segundas pás 2b, 2c.

[030] Com esse objetivo, as pás 2a, 2b, 2c da hélice a montante 10 são vantajosamente divididas em nε [[2; +~[ grupos de pás de comprimento igual, sendo pelo menos um grupo de primeiras pás 2a e pelo menos um grupo de segundas pás 2b, 2c. Todos os grupos de pás 2a, 2b, 2c apresentam comprimentos de pá 2a, 2b, 2c diferentes. Por conveniência, pode-se considerar que o primeiro grupo reúne as pás mais longas (as primeiras pás 2a), e que os n-1 outros grupos são grupos de segundas pás 2b, 2c classificadas por comprimentos decrescentes: o segundo grupo reúne as mais longas das segundas pás, o enésimo grupo reúne as mais curtas das segundas pás, etc.

[031] Esse número n de grupos de pás 2a, 2b, 2c é preferencialmente dois (caso da Figura 2b) ou três (caso da Figura 2c, na qual há dois comprimentos de segunda pá: as pás 2b formam um grupo de segundas pás de comprimento “médio” e as pás de 2c um grupo de segunda pás de comprimento “curto”), mas pode ser mais elevado. Nota-se que, no caso de pelo menos três grupos, os comprimentos de pás associadas a cada um dos grupos são escolhidos para ser regularmente distribuídos entre aquele do comprimento nominal (aquele da primeira pá 2a) e aquele da mais curta da segunda pá 2b, 2c (cujo comprimento está vantajosamente entre 98,5% e 99,5% daquele da primeira pá 2a).

[032] Denotando-se esses comprimentos como Lmin e Lmax, tem- L[eI1 nl se, por exemplo,

, em que Li é o comprimento das pás do i-ésimo grupo.

[033] Todos os grupos de pás 2a, 2b, 2c podem compreender a mesma quantidade de pás 2a, 2b, 2c (como é o caso da Figura 2b, na qual há dois grupos de seis pás 2a, 2b, 2c), ou números de pás diferentes (como é o caso da Figura 2c, na qual há três grupos, sendo um grupo de quatro primeiras pás 2a, um grupo de seis segundas pás 2b e um grupo de duas segundas pás 2c). Isso pode permitir que duas pás 2a, 2b, 2c vizinhas sejam sempre de um grupo j e de um grupo

, isto é, que haja sempre uma diferença de comprimento entre duas pás vizinhas, mas uma diferença mínima.

[034] A distribuição dos grupos de pás 2a, 2b, 2c pode ser igualmente o objeto de diversas variantes, tomando-se preferencialmente a forma de um padrão que se repete em todas as

pás consecutivas.

[035] Em um modo ideal, as pás 2a, 2b, 2c são dispostas ao redor da hélice a montante 10 de modo que cada subconjunto de n pás 2a, 2b, 2c consecutivas (isto é, as sequências de npás) compreenda uma pá 2a, 2b, 2c de cada grupo, isto é, que a hélice a montante 10 respeite um padrão de ordem igual ao número n de grupos (isto é, o padrão se repete em todas as n pás, isto é, que m=n). Por exemplo, a sequência das pás 2a, 2b, 2c pode seguir o padrão 1, 2, n, 1, 2, n, 1, 2, n, etc. É o caso para a Figura 2b: a sequência de pá é 2a, 2b, 2a, 2b, etc.

[036] Nota-se que, se n>2, existe potencialmente um degrau consequente de comprimento entre as pás número n (a mais curta) e 1 (a mais longa), visto que sequências mais complexas (mas que respeitam sempre um padrão de ordem n (por exemplo, se n=5: 1, 3, 5, 4, 2) são possíveis.

EQUILÍBRIO

[037] De maneira preferencial, a hélice a montante 10 é configurada de modo a evitar qualquer desequilíbrio. No caso mais simples, a hélice a montante 10 compreende 2kn, k εN*, pás 2a, 2b, 2c, em que n é sempre o número de grupos, sendo que cada um compreende um número par (2k) de pás (há então obrigatoriamente um número par de pás seja qual for a paridade de n).

[038] Duas pás 2a, 2b, 2c diametralmente opostas são então escolhidas na hélice a montante 10 de modo a pertencer ao mesmo grupo (em que há uma ausência de desequilíbrio apesar dos comprimentos variados de pás 2a, 2b, 2c).

[039] Deve-se notar que, se essas 2kn pás são organizadas em sequências de n pás que compreendem uma pá 2a, 2b, 2c de cada grupo (em outros termos, o caso particular no qual o número de sequências é par), então, o número de sequências é 2k, e duas pás 2a, 2b, 2c diametralmente opostas pertencem automaticamente ao mesmo grupo (e o equilíbrio é de fato realizado).

[040] Observa-se que a hélice 10 conforme a Figura 2c respeita esse princípio de distribuição, o que permite evitar a utilização de qualquer contrapeso.

[041] Se a hélice a montante 10 compreender

, pás 2a, 2b, 2c, em que n é sempre o número de grupos, sendo que cada um compreende um número ímpar

de pás (isso incluindo o caso particular de uma disposição em 2k+1 sequências de n pás), a configuração preferencial depende da paridade de n, mas pelo menos um contrapeso disposto de maneira diametralmente oposta a uma primeira pá 2a se torna necessário.

[042] Se n for par, o número total de pás 2a, 2b, 2c permanece par, o que faz com que cada pá apresente uma pá diametralmente oposta, mas é impossível fazer com que duas pás 2a, 2b, 2c diametralmente opostas pertençam sempre ao mesmo grupo. Em outros termos, existe necessariamente pelo menos um par de pás diametralmente opostas que compreende uma primeira pá 2a, e uma segunda pá 2b, 2c. Essa última é então, se necessário, equipada com um contrapeso.

[043] Se n for ímpar, o número total de pás 2a, 2b, 2c é ímpar, o que faz com que não haja pás 2a, 2b, 2c diametralmente oposta, em que há a utilização de contrapeso. Nesse caso, o contrapeso será distribuído entre várias lâminas diametralmente opostas.

[044] Em outro modo de realização, os contrapesos podem estar situados em outros locais do rotor.

Claims

1. TURBOMÁQUINA (1) caracterizada por compreender pelo menos duas hélices não carenadas (10, 11) sendo uma hélice a montante (10) e uma hélice a jusante (11), sendo que a hélice a montante (10) compreende uma pluralidade de pás (2a, 2b, 2c) em que pelo menos uma primeira pá (2a) apresenta um raio da extremidade diferente de pelo menos uma segunda pá (2b, 2c).

2. TURBOMÁQUINA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por duas pás (2a, 2b, 2c) consecutivas da hélice a montante (10a) apresentarem raios da extremidade diferentes.

3. TURBOMÁQUINA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizada pelas pás (2a, 2b, 2c) da hélice a montante (10) serem divididas em

grupos de pás de raio da extremidade igual, sendo pelo menos um grupo de primeiras pás (2a) e pelo menos um grupo de segundas pás (2b, 2c).

4. TURBOMÁQUINA, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada por todos os grupos de pás (2a, 2b, 2c) apresentarem raios da extremidade de pá (2a, 2b, 2c) diferentes.

5. TURBOMÁQUINA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 4, caracterizada por todos os grupos de pás (2a, 2b, 2c) compreenderem a mesma quantidade de pás (2a, 2b, 2c).

6. TURBOMÁQUINA, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelas pás (2a, 2b, 2c) serem dispostas ao redor da hélice a montante (10) de modo que cada subconjunto de n pás (2a, 2b, 2c) consecutivas compreenda uma pá (2a, 2b, 2c) de cada grupo.

7. TURBOMÁQUINA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 6, caracterizada pela hélice a montante (10) compreender 2kn, kε N*, pás (2a, 2b, 2c), duas pás (2a, 2b, 2c) diametralmente opostas na hélice a montante (10) pertencentes ao mesmo grupo.

8. TURBOMÁQUINA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 6, caracterizada pela hélice a montante (10) compreender

, pás (2a, 2b, 2c), sendo que a turbomáquina (1) compreende pelo menos um contrapeso disposto de maneira diametralmente oposta a uma primeira pá (2a).

9. TURBOMÁQUINA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 8, caracterizada pelo número n de grupos de pás (2a, 2b, 2c) ser dois ou três.

10. TURBOMÁQUINA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pela segunda pá (2b, 2c) ser uma primeira pá (2a) truncada.

11. TURBOMÁQUINA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pela segunda pá (2b, 2c) ser mais curta que a primeira pá (2a) de 0,5% a 5%.

12. TURBOMÁQUINA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pela hélice a jusante (11) compreender uma pluralidade de pás (2) que apresenta o raio da extremidade da primeira pá (2a).

13. TURBOMÁQUINA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelas hélices (10, 11) serem contrarrotativas.

14. TURBOMÁQUINA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pela hélice a jusante (11) ser fixa.