BR112017016899B1

BR112017016899B1 - Conjunto-guia de vazão de ar de motor de turbina e motor de turbina

Info

Publication number: BR112017016899B1
Application number: BR112017016899-5A
Authority: BR
Inventors: Henri-Marie DAMEVIN; Philippe Jacques Pierre Fessou; Vianney Christophe Marie Maniere; Michaël Franck Antoine Schvallinger
Original assignee: Safran Aircraft Engines
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2016-02-09
Publication date: 2022-11-01
Also published as: JP6629337B2; CN107208660A; BR112017016899A2; WO2016128664A1; US20180030843A1; CN107208660B; FR3032495A1; EP3256741A1; JP2018504555A; CA2975570C; RU2017131456A; RU2711204C2; CA2975570A1; US10385708B2; FR3032495B1; EP3256741B1; RU2017131456A3

Abstract

CONJUNTO-GUIA DE VAZÃO DE AR DE MOTOR DE TURBINA E MOTOR DE TURBINA. A invenção se refere a um conjunto-guia de vazão de ar de motor de turbina que inclui: um braço estrutural (30) e uma pá-guia (21) na superfície inferior do braço estrutural, que compreende um bordo de ataque (22), um bordo de fuga (23) e uma linha de arqueamento (24), em que a dita pá e o dito braço se estendem radialmente sobre um eixo geométrico (X-X) do motor de turbina e definem entre os mesmos um canal de vazão de ar. O braço estrutural (30) compreende: uma extremidade a montante (31) que tem um perfil de páguia (21) e compreende um bordo de ataque (32) alinhado com o da pá; e um ombro (35) localizado na superfície inferior do braço, de modo a definir um gargalo no canal. O conjunto é caracterizado por a área (Agargalo) da seção do canal no gargalo ser entre 0,7 e 0,9 vezes a área (Aentrada) da seção do canal nos bordos de ataque.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A invenção refere-se a um conjunto-guia de vazão de ar de motor de turbina, que compreende pás-guia e um ou mais braços estruturais. A invenção se refere, em particular, a motores de turbina do tipo de desvio.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Um motor de turbina do tipo de desvio para propulsão aeronáutica é mostrado na Figura 1a. O mesmo compreende um ventilador 10 que distribui uma vazão de ar da qual uma porção central, denominada vazão primária FP, é injetada em um compressor 12 que abastece uma turbina 14 que aciona o ventilador.

[003] A porção periférica, chamada de vazão secundária FS, da vazão de ar, é, por sua vez, ejetada na atmosfera para abastecer a porção principal do impulso do motor de turbina 1, depois de ter passado através de um anel 21 de pá fixa 20 disposto a jusante do ventilador. Esse anel, chamado de guia 20 (também conhecido sob a sigla OGV para “pá-guia de saída”) torna possível guiar a vazão de ar secundária na saída do ventilador, enquanto limita perdas ao máximo.

[004] Um braço estrutural 30 é mostrado na mesma Figura, que conecta a ponteira 16 dos tubos casing intermediários ao cubo 17 dos tubos casing intermediários, contribuindo, assim, para sustentar e segurar na posição do eixo (ou eixos) de motor 18 e garantir a resistência estrutural do conjunto. O braço estrutural também tem a função de permitir a transmissão de movimento ou de fluidos entre o motor de turbina e o restante da aeronave em que é montado. Para esse fim, o braço estrutural é oco e isso torna possível acomodar linhas, eixos de transmissão etc.

[005] Existem muitos tipos de braços estruturais, depende de sua função e sua posição no motor de turbina.

[006] Por exemplo, denominados braços estruturais "principais", cuja função principal é sustentar o motor de turbina sob a asa do avião, são posicionados em “6 horas” e em “12 horas”, isto é verticalmente em relação ao avião disposto no chão horizontal (terminologia comparada com a posição dos ponteiros de um relógio).

[007] Denominados braços estruturais “auxiliares” não têm a função principal de sustentar o motor de turbina, mas, em vez disso, a de alcançar transmissão de potência, por ser oco de modo a conter um eixo de transmissão. Esses braços são posicionados em “8 horas”, por exemplo, ou seja, obliquamente em relação à vertical.

[008] Todos os tipos de braços estruturais são também utilizados para transmitir utilidades a partir do motor de turbina para o restante do avião, ou seja, por exemplo, linhas de óleo, linhas de combustível etc.

[009] Com o objetivo de reduzir a massa de um motor de turbina e para aperfeiçoar seu desempenho, foi proposto o agrupamento de funções do guia de vazão secundário e do braço estrutural em uma única peça e isso para todos os tipos de braços estruturais.

[010] Conforme mostrado na Figura 1b, as denominadas pás-guia “integradas” foram propostas, formadas por um braço estrutural, nesse caso particular, do tipo auxiliar descrito acima, do qual uma porção a montante é envolta para ter o perfil aerodinâmico de uma pá-guia.

[011] Tal braço estrutural, por esse motivo, tem porções limitadas geometricamente que são: - Uma porção de extremidade a montante 31, cuja geometria precisa ser a de uma pá-guia, e - Uma zona oca 34 para transmitir utilidades, em que são dispostas linhas, eixos de transmissão etc. Essa zona considera um número considerável de limitações do volume útil, operação e conjunto de folga, espessura de tipo de material etc., chamada de uma “zona de restrição“, significa que precisa ser mantida inalterada no caso de uma mudança na geometria do braço estrutural.

[012] A conformidade com essas restrições leva à criação, para o braço estrutural, de uma geometria que obstrui significativamente os fluxos de vazão de ar constituídos pelas pás-guia situadas em cada lado do braço.

[013] Em particular, a presença da zona de restrição a jusante da porção do braço envolta forma um ombro 35 no lado de superfície inferior do braço que obstrui o fluxo de vazão de ar situado entre a superfície inferior do braço e a pá 21.

[014] Como pode ser visto na Figura 1c, a vazão de ar nesse fluxo, então, acelera fortemente até alcançar a velocidade supersônica na garganta. A transição repentina entre um fluxo subsônico e uma bolsa de ar supersônico pode gerar uma onda de choque O que induz perdas de cabeça consideráveis.

[015] Além disso, é possível observar, nessa geometria, a separação D da camada de limite da vazão de ar a jusante da garganta, que também produz perdas de cabeça e, por esse motivo, perde desempenho no guia.

[016] Por esse motivo, existe uma necessidade de corrigir os problemas apresentados por essa geometria.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[017] A invenção tem como sua finalidade atenuar as desvantagens da técnica anterior, propondo-se um conjunto-guia de vazão de ar que tem desempenho aerodinâmico, ou seja, aperfeiçoado em comparação com a técnica anterior.

[018] Uma finalidade da invenção é propor um conjunto-guia de vazão de ar, cuja geometria elimina os riscos de uma onda de choque e de separação da camada de limite da vazão de ar.

[019] Nessa relação, a invenção tem como objetivo um conjunto- guia de vazão de ar de motor de turbina que compreende: - um braço estrutural, e - pelo menos uma pá-guia situada na superfície inferior do braço estrutural e que compreende um bordo de ataque, um bordo de fuga e uma linha de arqueamento que se estende entre o bordo de ataque e o bordo de fuga, em que a pá e o braço estendem radialmente ao redor de um eixo geométrico do motor de turbina e define um canal de vazão de ar entre eles, e o braço estrutural compreende: - uma extremidade a montante, em relação à direção de vazão de ar no canal, que tem uma pá-guia perfil e que compreende um bordo de ataque alinhado com o bordo de ataque da pá, e - um ombro situado na superfície inferior do braço, que define uma garganta no canal a montante do qual o canal é convergente e a jusante do qual é divergente, caracterizado por a área da seção do canal na garganta ser compreendida entre 0,7 e 0,9 vezes a área da seção do canal nos bordos de ataque da pá e do braço; - vantajosamente, mas opcionalmente, o conjunto-guia, de acordo com a invenção, compreende adicionalmente pelo menos uma das seguintes características: a área da seção do canal na garganta é compreendido entre 0,75 e 0,85 vezes a área da seção do canal nos bordos de ataque da pá e do braço; - a área da seção do canal na garganta é compreendido entre 0,79 e 0,81 vezes a área da seção do canal nos bordos de ataque da pá e do braço; - a garganta do canal tem uma posição axial xgarganta definida por: 𝑥 𝑔𝑎𝑟𝑔𝑎𝑛𝑡𝑎 = 𝑥1/2𝑒𝑚𝑎𝑥 ± 0,05𝑐 em que x1/2emax é a posição axial da seção de espessura máxima do braço no lado de superfície inferior e c é o comprimento da corda axial da pá- guia, e a posição axial da seção de espessura máxima do braço no lado de superfície inferior é compreendida entre a posição axial do bordo de ataque e do bordo de fuga da pá.

[020] A invenção também tem como objetivo um motor de turbina do tipo de desvio, que compreende um guia de vazão secundária que compreende uma pluralidade de pás dispostas radialmente em torno de um eixo geométrico do motor de turbina e pelo menos um braço estrutural, caracterizado pelo fato de que pelo menos um braço estrutural e uma pá da guia formam um conjunto-guia, de acordo com a descrição anterior.

[021] O conjunto-guia de vazão de ar proposto tem aperfeiçoado o desempenho aerodinâmico.

[022] A relação proposta entre a seção do fluxo de ar entre o braço estrutural e a pá-guia na garganta e que nos bordos de ataque do braço e a pá impõe uma linha de arqueamento otimizado para a pá.

[023] Na verdade, para uma relação maior, a pá-guia tem muito arqueamento. O resultado é um fluxo com uma seção considerável na garganta e depois disso, que provoca, conforme descrito previamente, uma aceleração da vazão de ar quando passa através da garganta, com potencialmente uma onda de choque e uma separação da camada limite da vazão de ar a jusante da garganta.

[024] Para uma relação inferior, a pá-guia é menos arqueada. O resultado é uma seção menor do fluxo na garganta, com uma taxa de vazão de ar inferior. Embora previna a formação de uma onda de choque, a redução da taxa de vazão de ar nesse fluxo induz uma redistribuição da taxa de vazão de ar completa da vazão secundária na guia, que causa distorções na pressão estática que se estende a montante da guia que pode afetar adversamente o desempenho aerodinâmico e aeroacústico do ventilador.

[025] Portanto, a relação determinada é otimizada para evitar a onda de choque e o fenômeno de separação de camada limite e para minimizar a redução na taxa de vazão no fluxo entre o braço e a pá-guia.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[026] Outras características, finalidades e vantagens da invenção serão revelados pela descrição que segue, que é puramente ilustrativa e não limitante e que precisa ser lida com referência às Figuras anexas em que: - Figura 1a, já descrita, mostra esquematicamente um motor de turbina do tipo de desvio; - Figura 1b, já descrita, mostra uma vista esquemática desenvolvida de um conjunto que compreende um braço estrutural entre duas pás-guia de vazão secundária; - Figura 1c, já descrita, mostra os efeitos aerodinâmicos de uma pá-guia no lado de superfície inferior do braço estrutural excessivamente arqueado; - Figura 2a mostra um conjunto-guia de vazão de ar adaptado a uma realização da invenção; e - Figura 2b ilustra esquematicamente um motor de turbina adaptado a uma realização da invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[027] Com referência à Figura 2b, um motor de turbina do tipo de desvio 1 é mostrado que compreende, como descrito previamente, um ventilador 10 e um guia 20 do tipo OGV, para guiar uma vazão secundária FR derivada do ventilador 10.

[028] O guia compreende uma pluralidade de pás 21 distribuídas regularmente em torno de um anel (não mostrado) centrado em um eixo geométrico X-X do motor de turbina, que corresponda ao eixo geométrico do eixo de motor.

[029] Além disso, o motor de turbina 1 compreende pelo menos um braço estrutural 30 descrito em mais detalhes abaixo.

[030] Cada conjunto que compreende um braço estrutural 30 e a pá 21 da guia 20 adjacente ao dito braço em seu lado de superfície inferior é chamado de um conjunto-guia de vazão de ar e é representado em mais detalhes na Figura 2a.

[031] A pá 21 e o braço estrutural 30 se estendem radialmente em torno do eixo geométrico X-X do motor de turbina, em que a Figura 2a é uma vista desenvolvida do setor angular circundante ao eixo geométrico X-X coberto pela pá 21 e pelo braço 30. A pá 21 e o braço estrutural 30 define entre eles um canal de vazão de ar da vazão secundária.

[032] A pá 21 convencionalmente compreende um bordo de ataque 22, um bordo de fuga 23 e uma linha de arqueamento 24 que se estendem a partir do bordo de ataque ao bordo de fuga, alinha de arqueamento é o meio caminho de linha entre a superfície inferior e a superfície superior da pá.

[033] Além disso o ângulo de arqueamento, indicado α, é definido em cada ponto da linha de arqueamento pelo ângulo formado entre a tangente à linha de arqueamento nesse ponto e o eixo geométrico X-X do motor de turbina.

[034] A pá 21 é de preferência formada de modo que tenha um ângulo α diferente de zero em seu bordo de ataque.

[035] O braço estrutural 30 é do tipo “pá-guia integrada”, isto é, compreende uma porção de extremidade a montante 31 que tem o perfil de uma pá-guia.

[036] Em particular, a porção de extremidade a montante 31 tem um bordo de ataque 32 alinhado com a das pás 21 da guia 20, isto é, no mesmo nível em relação ao eixo geométrico X-X, e tem, pelo menos, nesse bordo de ataque, a mesma espessura e o mesmo ângulo de arqueamento como uma pá 21 da guia 20.

[037] O braço estrutural 30 inclui adicionalmente uma porção a jusante 33, firmemente fixado à porção de extremidade a montante 31 e, além disso, diretamente adjacente.

[038] O braço estrutural 30 é vantajosamente do tipo auxiliar, que significa que sua função principal é que transmite potência do motor de turbina ao restante do avião.

[039] Nesse sentido, sustentar as cargas requeridas para essa transmissão de potência, as paredes da porção a jusante 33 adjacente à porção 31 são produzidas vantajosamente por moldagem. Além disso, a porção a jusante 33 inclui uma zona oca 34 chamada de uma zona de restrição dedicada à implantação de utilidades e, em particular, um ou mais eixos de transmissão e linhas, conexões etc., se exigido.

[040] Portanto, a porção a montante 31 do braço estrutural forma uma das pás 21 do guia 20 do motor de turbina. Se o motor de turbina compreende vários braços estruturais idênticos 30 distribuídos em torno do eixo geométrico X-X, vantajosamente compreende tantos conjuntos de guia como o da Figura 2a, que compreende cada braço estrutural e a pá do guia adjacente ao mesmo, no seu lado de superfície inferior.

[041] De volta a Figura 2a, a junção entre a porção perfilada de extremidade a montante 31 e a zona oca 34 formam, no lado de superfície inferior do braço estrutural 30, um ombro 35, que reduz a seção do canal que se estende entre o braço 30 e a pá 21. A seção considerada é uma seção desenvolvida do setor angular ao redor do eixo geométrico X-X coberto pela pá 21 e o braço 30, isto é, uma zona bidimensional definida pela interseção entre o canal que se estende entre a pá 21 e o braço 30 e um cilindro com um eixo geométrico X-X de raio igual compreendido entre o raio da origem da pá e o raio da ponta da pá, de preferência compreendida entre 5 e 95% da altura radial da pá e do braço, a interseção, então, é desenvolvida.

[042] A posição axial da seção do braço 30, transversal ao eixo geométrico X-X, que tem uma espessura máxima no lado de superfície inferior do braço, é indicada x1/2emax, essa espessura é medida entre a linha de arqueamento e a superfície no lado de superfície inferior. Essa seção do braço com uma espessura máxima resultante do ombro 35 e da zona oca 34, é localizada em uma posição axial compreendida entre as posições axiais do bordo de ataque 22 e do bordo de fuga 23 da pá 21.

[043] Matematicamente observado, se a origem do eixo geométrico em relação à qual a posição axial x1/2emax é medida é trazida de volta para o bordo de ataque da pá: 0,0 < 𝑥1/2𝑒𝑚𝑎𝑥 ≤ 1,0𝑐 Em que c é a corda axial da pá, isto é, a distância medida na direção do eixo geométrico X-X entre o bordo de ataque e o bordo de fuga da pá.

[044] Essa geometria do braço 30 define, no canal que se estende entre o braço 30 e a pá 21, uma garganta, isto é, uma zona de seção mínima do canal, a montante da qual o canal é convergente - com uma seção decrescente a partir de montante à jusante em relação à direção de vazão de ar - e a jusante da qual o canal é divergente - com uma seção crescente de montante para jusante.

[045] A posição axial da garganta do canal é indicada xgarganta, a área da seção do canal na garganta Agarganta e a área da seção de entrada localizadas nos bordos de ataque 22 e 32, Aentrada.

[046] A área de uma seção do canal é calculada conforme a integral, sobre a altura do canal medida na direção radial em torno do eixo geométrico X-X, da distância que se estende entre a superfície inferior do braço e a superfície superior da pá na seção considerada.

[047] Os inventores determinaram que o desempenho aerodinâmico do conjunto-guia de vazão de ar depende do grau de retração do canal entre a seção de entrada e a garganta seção.

[048] Mais precisamente, para evitar uma onda de choque e fenômeno de separação de camada de limite, o raio entre a área Agarganta da seção do canal na garganta e a área Aentrada da seção do canal na entrada precisa ser menor do que 0,9.

[049] Além disso, para evitar distorções de pressão estática no guia 20 conectado com uma taxa de vazão muito baixa no canal situado entre o braço 30 e a pá 21, a mesma proporção deve ser maior que 0,7.

[050] Portanto é observado:

Preferencialmente, tem-se

Mais vantajosamente, tem-se:

[051] Na verdade, os inventores observaram que um valor otimizado dessa relação pode ser 0,8 para alguns motores.

[052] Além disso, a posição da garganta precisa ser próxima à posição axial da seção de espessura máxima no lado de superfície inferior do braço 30 e mais especificamente: 𝑥 𝑔𝑎𝑟𝑔𝑎𝑛𝑡𝑎 = 𝑥1/2𝑒𝑚𝑎𝑥 ± 0.05𝑐

[053] A posição da garganta e a área da seção do canal na garganta permitem, com uma geometria fixa do braço de guia 30, determinar a linha de arqueamento da pá 21 e, por esse motivo, também determinar a geometria da pá.

[054] Portanto uma configuração de um conjunto-guia é proposta, permitindo a optimização do desempenho aerodinâmico desse conjunto.

Claims

1. CONJUNTO-GUIA DE VAZÃO DE AR DE MOTOR DE TURBINA que compreende: - um braço estrutural (30) e - pelo menos uma pá-guia (21), situada na superfície inferior do braço estrutural (30) e que compreende um bordo de ataque (22), um bordo de fuga (23) e uma linha de arqueamento (24) que se estende entre o bordo de ataque e o bordo de fuga, em que a pá e o braço se estendem radialmente ao redor de um eixo geométrico (X-X) do motor de turbina e definem um canal de vazão de ar entre eles, e o braço estrutural (30) compreende: - uma extremidade a montante (31), em relação à direção de vazão de ar no canal, que tem um perfil de pá-guia (21) e que compreende um bordo de ataque (32) alinhado com o bordo de ataque (22) da pá, e - um ombro (35) situado na superfície inferior do braço (30), de modo a definir uma garganta no canal, a montante da qual o canal é convergente e a jusante da qual é divergente, caracterizado pela área (Agarganta) da seção do canal na garganta ser compreendida entre 0,7 e 0,9 vezes a área (Aentrada) da seção do canal nos bordos de ataque (22, 32) da pá (20) e do braço (30).

2. CONJUNTO-GUIA DE VAZÃO DE AR DE MOTOR DE TURBINA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela área (Agarganta) da seção do canal na garganta ser compreendida entre 0,75 e 0,85 vezes a área (Aentrada) da seção do canal nos bordos de ataque (22, 32) da pá (20) e do braço (30).

3. CONJUNTO-GUIA DE VAZÃO DE AR DE MOTOR DE TURBINA, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pela área (Agarganta) da seção do canal na garganta ser compreendida entre 0,79 e 0,81 vezes a área (Aentrada) da seção do canal nos bordos de ataque (22, 32) da pá (20) e do braço (30).

4. CONJUNTO-GUIA DE VAZÃO DE AR DE MOTOR DE TURBINA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pela garganta do canal ter uma posição axial xgarganta definida por: 𝑥 𝑔𝑎𝑟𝑔𝑎𝑛𝑡𝑎 = 𝑥1/2𝑒𝑚𝑎𝑥 ± 0,05𝑐 em que x1/2emax é a posição axial da seção de espessura máxima do braço no lado de superfície inferior e c é o comprimento da corda axial da pá- guia, e a posição axial da seção de espessura máxima do braço no lado de superfície inferior é compreendida entre a posição axial do bordo de ataque e do bordo de fuga da pá.

5. MOTOR DE TURBINA do tipo de desvio (1), que compreende um guia de vazão secundária (20) que compreende uma pluralidade de pás (21) dispostas radialmente em torno de um eixo geométrico (X-X) do motor de turbina e pelo menos um braço estrutural (30), caracterizado por, em pelo menos um braço estrutural (30) e em uma pá (21) do guia, formar um conjunto-guia, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4.