BR112018005031B1 - Carcaça de turbina de uma turbomáquina e turbomáquina - Google Patents

Carcaça de turbina de uma turbomáquina e turbomáquina Download PDF

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Abstract

A presente invenção refere-se a uma turbomáquina e a uma carcaça de turbina de uma turbomáquina compreendendo um dispositivo de ventilação que compreende uma pluralidade de tubulações (16?) configuradas para aspergir ar na carcaça de turbina, sendo que as tubulações estão dispostas lado a lado, cada tubulação compreende um anel principal (161) em que o ar circula, sendo que o anel principal (161) compreende aberturas (17?) configuradas para aspergir um fluxo de ar para a carcaça de turbina, sendo que cada tubulação compreende uma proteção (162) configurada para isolar o anel principal (161) de um fluxo de ar refletido da carcaça de turbina para as tubulações após ter sido aspergido para a carcaça de turbina, sendo que a proteção (162) circunda o anel principal (161) e compreende aberturas alinhadas nas aberturas do anel principal (161).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A invenção refere-se a um dispositivo para ventilação de uma carcaça de turbina de uma turbomáquina, bem como uma turbomáquina que compreende esse dispositivo.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] Em relação à Figura 1, uma turbomáquina de aeronave compreende, de forma conhecida, um rotor 1 giratório no eixo geométrico da máquina e circundado por um estator 2.
[003] O rotor 1 e o estator 2 definem entre os mesmos um jato de fluxo de gás 12 que sucessivamente passa através de um compressor de baixa pressão 3, um compressor de alta pressão 4, uma câmara de combustão 13, uma turbina de alta pressão 5 e uma turbina de baixa pressão 6.
[004] A turbina de baixa pressão 6 compreende estágios de distribuidor 8 (pás estacionárias) presos à carcaça de turbina 7 e que se alteram com estágios de pá móvel 9, presos ao rotor 1 na direção axial da máquina. A carcaça de turbina 7, que delimita o jato de fluxo de gás quente 12 é dotada de anéis passíveis de abrasão 10 voltados para a plataforma das pás móveis 9.
[005] A fim de proteger a carcaça de turbina 7 de aquecimento excessivo e garantir o bom desempenho da turbina, a turbomáquina compreende um dispositivo de ventilação 15 que compreende várias tubulações perfuradas 16 dispostas em torno da superfície externa da carcaça de turbina 7. Essas tubulações 16 são abastecidas com ar sob pressão que corresponde a uma mistura de uma corrente de ar "frio" coletada em um jato secundário periférico 30 a jusante dos compressores por meio de um ponto de coleta 14, que é um conduto situado no jato secundário 30 e uma corrente de ar "quente" coletada no jato de fluxo de gás quente 12 no compressor de alta pressão 5.
[006] O fluxo de ar quente coletado no jato secundário 30 é transmitido para as tubulações através de um primeiro duto 17 e a corrente de ar quente coletada no jato de fluxo de gás quente 12 é transmitida para a tubulação através de um segundo duto 19. Uma válvula 18 permite o controle da permeabilidade de dois dutos de modo a controlar a temperatura da mistura de dois fluidos derivados dos dois dutos. O ar sob pressão é aspergido através de perfurações das tubulações na superfície externa da carcaça de turbina e, consequentemente, resfria a mesma.
[007] Uma tubulação 16 é tipicamente conformada como um anel perfurado verticalmente acima da carcaça de turbina 7 de modo a aspergir ar na carcaça de turbina 7.
[008] O dispositivo de ventilação 15 se estende em torno da turbina de baixa pressão 6.
[009] Além do resfriamento do estator de carcaça de estator, o dispositivo de ventilação permite o ajuste da folga entre as pás móveis 9 e o anel passível de abrasão 10. De fato, as mudanças de temperatura da carcaça geram uma variação na folga entre as pás móveis e o anel passível de abrasão 10 devido à dilatação térmica da carcaça de estator.
[010] Agora, a folga entre as pontas das pás móveis e os anéis passíveis de abrasão 10 é determinante para o desempenho da turbomáquina.
[011] De fato, quanto menores forem as folgas, menor será a taxa de vazão que desvia das pás móveis 9 e dos distribuidores 8 e melhor será a eficiência da turbina de baixa pressão.
[012] Consequentemente, o resfriamento da carcaça de turbina 7 tem um impacto importante no desempenho da turbina de baixa pressão e, consequentemente, da turbomáquina.
[013] Também são conhecidos os documentos n° US5100291, WO2013186757 e US4826397 que descrevem dispositivos de ventilação. Entretanto, as soluções propostas nesses documentos não permitem que o desempenho seja suficientemente melhorado.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[014] Um objetivo da invenção é melhorar os dispositivos de ventilação conhecidos de modo a melhorar o desempenho da turbina de baixa pressão e, portanto, da turbomáquina.
[015] Para esta finalidade, a invenção propõe um dispositivo de ventilação de uma carcaça de turbina de turbomáquina que compreende uma pluralidade de tubulações configuradas para aspergir ar na carcaça de turbina, sendo que as tubulações estão dispostas lado a lado, cada tubulação compreende um anel principal em que o ar circula, sendo que o anel principal compreende aberturas configuradas para aspergir um fluxo de ar para a carcaça de turbina, a tubulação compreende uma proteção configurado para isolar o anel principal de um fluxo de ar refletido da carcaça de turbina para as tubulações após ter sido aspergido para a carcaça de turbina.
[016] A invenção é concluída, de modo vantajoso, pelos seguintes recursos, considerados individualmente ou em qualquer uma de suas combinações técnicas possíveis:
[017] A proteção circunda o anel principal e compreende aberturas alinhadas nas aberturas do anel principal.
[018] A proteção se estende tangencialmente a partir das aberturas da tubulação, sendo que a proteção está em contato estreito com o anel principal nas aberturas.
[019] A proteção se estende tangencialmente a partir da tubulação de uma zona de contato estreito entre a tubulação e a proteção, diametralmente oposta às aberturas.
[020] A seção transversal da proteção tem o formato de uma elipse.
[021] A elipse tem um eixo geométrico principal duas vezes maior que o diâmetro da seção transversal da tubulação.
[022] Uma cavidade definida entre a proteção e a tubulação é preenchida com ar ou argônio.
[023] A invenção também se refere a uma turbomáquina que compreende uma turbina e um dispositivo de ventilação de carcaça de turbina de acordo com a invenção.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[024] Outros recursos, objetivos e vantagens da invenção serão revelados pela seguinte descrição, que é puramente ilustrativa e não limitadora, e que precisam ser lidos em referência aos desenhos em anexo em que, diferente da Figura 1, ilustram uma vista esquemática de uma turbomáquina do tipo já discutido: - A Figura 2 ilustra uma disposição de tubulações de um tipo conhecido do dispositivo de ventilação; - A Figura 3 ilustra uma disposição das tubulações em um dispositivo de ventilação de acordo com uma realização da invenção; - A Figura 4 ilustra uma tubulação de um dispositivo de ventilação de acordo com uma realização da invenção.
[025] Em todas as Figuras, elementos semelhantes possuem símbolos de referência idênticos.
DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO
[026] É mostrado na Figura 1 um dispositivo de ventilação de um tipo conhecido que compreende tubulações 16 que estão tipicamente na forma de anéis perfurados verticalmente acima da carcaça de turbina 7 de modo a aspergir ar na carcaça de turbina 7.
[027] Em relação à Figura 2, o Requerente observou que um fluxo de ar aspergido para a carcaça de turbina 7 será aquecido através de contato com a mesma.
[028] Por essa razão, uma corrente de ar quente de pós-impacto F2 é refletida da carcaça de turbina 7 para as tubulações de modo que as mesmas aqueçam o último e, então, o fluxo de ar frio F1 emerge da mesma.
[029] Portanto, considerando que várias tubulações estão dispostas lado a lado, o ar quente derivado do impacto de ar frio na carcaça de turbina aquecerá a tubulação contígua (ou tubulações contíguas), o que reduz o desempenho de resfriamento da carcaça.
[030] A fim de evitar esse problema, o Requerente modificou as tubulações da Figura 2 e da Figura 1 (ainda posicionadas no mesmo local na turbomáquina da Figura 1) em relação à Figura 3 e propõe um dispositivo de ventilação que compreende uma pluralidade de tubulações 16’, sendo que cada uma compreende um anel principal 161 em que um fluxo de ar circula e uma proteção 162 configurada para isolar o anel principal de um fluxo de ar refletido da carcaça de turbina 7 para as tubulações 16’ após ter sido aspergido para a carcaça de turbina 7.
[031] O anel principal 161 compreende aberturas 17’ configuradas para aspergir um fluxo de ar para a carcaça de turbina 7.
[032] Conforme pode ser visto na Figura 3, um fluxo de ar F2 derivado da carcaça de turbina 7 após ter impactado a carcaça de turbina é refletido para as tubulações. Através de comparação com o mesmo fluxo de ar na realização do estado da técnica (consultar Figura 2), o mesmo está mais distante do anel principal.
[033] Devido a essa proteção 162, zonas inoperantes inacessíveis pela corrente de pós-impacto F2 são criadas em torno do anel principal. Essas zonas inoperantes isolam termicamente o anel principal 161 reduzindo, em relação ao estado da técnica, a temperatura do fluxo de ar frio F1 e melhorando a eficácia do dispositivo de resfriamento.
[034] A proteção pode circundar completamente o anel principal e compreender aberturas alinhadas nas aberturas do anel principal.
[035] Vantajosamente, a proteção 162 se estende tangencialmente a partir de aberturas da tubulação, sendo que a proteção está em contato estreito com o anel principal nas aberturas. Tal contato possibilita limitar a perda de carga durante a expulsão de ar do anel principal para a carcaça de turbina 7.
[036] De modo semelhante, vantajosamente, a proteção se estende tangencialmente a partir da tubulação de uma zona de contato estreito entre a tubulação e a proteção, diametralmente oposta às aberturas. Tal contato possibilita limitar o volume externo e possibilita obter vantagem do ar frio que circula no jato secundário acima do mesmo e troca através de radiação com a nacela que, para a sua parte, é fria.
[037] A fim de limitar o volume radial das proteções, o último tem o formato de uma elipse. Também é possível fornecer um formato retangular ou um formato oval.
[038] No caso de um formato elíptico, conforme pode ser visto na Figura 4, a elipse tem um eixo geométrico principal duas vezes maior que o diâmetro D da seção transversal da tubulação.
[039] A proteção 162 pode ser do mesmo material que a tubulação, por exemplo, uma liga a base de níquel e cromo.
[040] A proteção pode ser oca, a cavidade 163 definida entre a proteção e a tubulação pode ser preenchida com ar ou argônio. Entretanto, o ar será preferido, visto que o mesmo é um melhor isolante e tem um custo mais baixo.

Claims (7)

1. CARCAÇA DE TURBINA (7) DE UMA TURBOMÁQUINA caracterizada por compreender um dispositivo de ventilação que compreende uma pluralidade de tubulações (16’) configuradas para aspergir ar na carcaça de turbina (7), sendo que as tubulações (16’) estão dispostas lado a lado, cada tubulação (16’) compreendendo um anel principal (161) em que o ar circula, sendo que o anel principal (161) compreende aberturas (17’) configuradas para aspergir um fluxo de ar para a carcaça de turbina (7), sendo que cada tubulação (16’) compreende uma proteção (162) configurada para isolar o anel principal (161) de um fluxo de ar refletido da carcaça de turbina (7) para as tubulações (16’) após ter sido aspergido para a carcaça de turbina (7), sendo que cada proteção (162) circunda o anel principal (161) através da delimitação de uma cavidade (163) entre o anel principal (161) e a proteção (162), a proteção (162) compreendendo aberturas alinhadas nas aberturas (17’) do anel principal (161).
2. CARCAÇA (7), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por cada proteção (162) se estender tangencialmente a partir das aberturas (17’) de cada tubulação (16’), sendo que a proteção (162) está em contato estreito com o anel principal (161) nas aberturas.
3. CARCAÇA (7), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por cada proteção (162) se estender tangencialmente de cada tubulação (16’) de uma zona de contato estreito entre cada tubulação (16’) e cada proteção (162), diametralmente oposta às aberturas.
4. CARCAÇA (7), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela seção transversal de cada proteção (162) ter o formato de uma elipse.
5. CARCAÇA (7), de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pela elipse ter um eixo geométrico principal duas vezes maior que o diâmetro da seção transversal de cada tubulação (16’).
6. CARCAÇA (7), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela cavidade (163) definida entre cada proteção (162) e a tubulação (16’) ser preenchida com ar ou argônio.
7. TURBOMÁQUINA, caracterizada por compreender uma turbina que compreende uma carcaça de turbina (7), conforme definida na reivindicação 1.
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