BR112019012198B1 - Montagem para um motor de turbina e motor de turbina - Google Patents
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Abstract
a presente invenção refere-se a um motor de turbina e a uma montagem (44) para um motor de turbina (36), que compreende um circuito de óleo (24), incluindo um trocador de calor ar/óleo (31), um tubo de derivação primário (26) que liga uma entrada do trocador de calor ar/óleo (31) a uma saída do trocador de calor ar/óleo (31) e que envolve o trocador de calor ar/óleo (31), de modo a trocar calor com o trocador de calor ar/óleo (31) e um tubo de derivação secundário (28) do tubo primário (26) que liga a extremidade a montante do tubo de derivação primário (26) à extremidade a jusante do tubo de derivação primário (26), o circuito (24) também compreende pelo menos uma válvula (22) para controlar a passagem do fluxo de óleo para os tubos de derivação primário (26) e secundário (28) e meios (35) para controlar a abertura da pelo menos uma válvula (22) para uma temperatura inferior a uma temperatura limiar, o tubo de derivação secundário (28) possuindo um comprimento pelo menos dez vezes menor que o comprimento do tubo de derivação primário (26).
Description
[001] A presente invenção refere-se a um circuito de óleo, bem como a um motor de turbina equipado com tal circuito de óleo.
[002] Como todos os motores de combustão interna, os motores de turbina, sejam motores turbo-jato ou turbo-propulsor, incluem peças móveis que se esfregam contra outras peças móveis ou contra peças estacionárias.
[003] Para não quebrar devido ao aquecimento devido ao atrito, as peças são pulverizadas com óleo, o que torna possível limitar (ou conter) o seu aquecimento e, por outro lado, lubrificá-las para facilitar o deslizamento das peças, uma em cima da outra.
[004] O óleo flui em um circuito (10) provido de trocadores de calor, em particular trocadores óleo/ ar (12), como mostrado na Figura 1, tendo uma matriz (14), na forma de um tubo sinuoso moldado de modo a conseguir troca de calor, no qual o óleo das referidas peças é introduzido e depois arrefecido antes de ser novamente injetado nas ditas peças.
[005] Ao ligar um motor de turbina em condições frias (por exemplo, com uma temperatura abaixo de 0 °C), o óleo na matriz (14) do trocador ar/ óleo (12) (ou trocadores, se aplicável) pode ser congelado, dificultando, ou tornando impossível, a troca de calor entre óleo e ar, uma vez que o óleo não pode circular na matriz (14) do trocador (12). É então necessário pré-aquecer a matriz (14) do trocador de calor ar/ óleo (12) previamente.
[006] Para este propósito, é conhecido fornecer o trocador de calor ar/ óleo (12) com um tubo de derivação (16) usado como um canal de descongelação e envolvendo a matriz (14) do trocador de calor ar/ óleo (12) para aquecer o óleo congelado. Este tubo de derivação (16) está ligado na sua extremidade a montante à entrada (18) do trocador de calor (12) e à saída (20) do trocador de calor (12). O circuito de óleo (10) também inclui uma válvula (22) para controlar o fluxo de óleo no tubo de derivação (16) para permitir que o óleo flua através da matriz (14) do trocador (12) apenas quando a temperatura estiver abaixo de um limiar predeterminado. Contudo, uma vez que a seção transversal da passagem de óleo do tubo de derivação (16) é menor do que a seção transversal da passagem de óleo no trocador de calor ar/ óleo, existe sobrepressão no circuito de óleo quando a matriz (14) do trocador de calor (12) é congelada. A sobrepressão induz um risco de danos no circuito de óleo (10).
[007] De modo a reduzir esta sobrepressão, uma solução óbvia é aumentar a seção transversal do fluxo do tubo de derivação (16) de modo a aumentar o caudal sem alterar as condições de pressão de funcionamento das bombas de alimentação. No entanto, por razões de requisitos de espaço, não é possível um aumento na seção transversal de passagem do tubo de derivação (16).
[008] A invenção, mais particularmente, visa fornecer uma solução simples, eficiente e rentável para este problema.
[009] Para este fim, a invenção propõe uma montagem para um motor de turbina compreendendo um circuito de óleo incluindo um trocador de calor ar/ óleo, um tubo de derivação primário que liga uma entrada do trocador de calor ar/ óleo a uma saída do trocador de calor ar/ óleo e que envolve o trocador de calor ar/ óleo, de modo a trocar calor com o trocador de calor ar/ óleo, e um tubo de derivação secundário do tubo primário que liga a extremidade a montante do tubo de derivação primário a jusante do tubo de derivação primário, o circuito compreendendo também pelo menos uma válvula para controlar a passagem do fluxo de óleo através dos tubos de derivação primário e secundário e meios para controlar a abertura da referida pelo menos uma válvula para uma temperatura abaixo de uma temperatura limiar.
[010] De acordo com a invenção, a adição de um tubo de derivação secundário permite que parte do fluido seja contornado do tubo de derivação primário, reduzindo a pressão do fluido no tubo de derivação primário sob condições operacionais frias. A combinação de uma válvula para controlar o fluxo de óleo através dos tubos de derivação primário e secundário e meios para controlar a abertura da válvula para uma temperatura acima de uma temperatura limiar torna possível operar os tubos de derivação primário e secundário apenas sob condições de operação frias, nenhum fluxo de óleo circulando através destes tubos quando a temperatura está acima da temperatura limiar predeterminada.
[011] À medida que a queda de pressão aumenta com a diminuição da temperatura devido ao aumento da viscosidade do óleo, entende-se que a adição de um tubo de derivação secundário é particularmente útil. No entanto, este tubo secundário tem pouco impacto na função de aquecimento do óleo do trocador ar/ óleo através do tubo primário. Por exemplo, uma derivação de 30% do caudal de óleo do tubo de derivação primário para o tubo de derivação secundário permite que o mesmo tempo de descongelação seja mantido com o trocador de calor.
[012] De acordo com outra característica da invenção, a montagem inclui uma única válvula disposta na saída do tubo de derivação primário e a jusante da saída do tubo de derivação secundário. É claro que seria possível ter uma válvula para cada um dos tubos de derivação primário e secundário. No entanto, isso obviamente complica a montagem.
[013] Em uma realização, a única válvula pode estar localizada na entrada do tubo de derivação primário e a montante da entrada do tubo de derivação secundário.
[014] A válvula de controle pode ser uma válvula que pode adotar pelo menos duas posições, uma primeira posição aberta permitindo a passagem de óleo e uma segunda posição fechada bloqueando a passagem de óleo. Desta forma, a temperatura limiar é, por exemplo, da ordem de 70 °C.
[015] Em uma realização, a válvula de controle pode ser uma válvula unidirecional de duas vias que pode adotar pelo menos duas posições, uma primeira posição aberta permite que o óleo passe através da válvula e uma segunda posição fechada bloqueia a passagem de óleo através da válvula, e também posições intermediárias.
[016] De acordo com outra característica da invenção, o tubo de derivação secundário pode ser pelo menos dez vezes mais curto que o comprimento do tubo de derivação primário. Além disso, o circuito inclui o tubo de derivação secundário, que pode ter um diâmetro pelo menos três vezes menor que o diâmetro do tubo de derivação primário.
[017] Ter um tubo de derivação secundário mais curto e/ ou um diâmetro menor do que o tubo de derivação primário, de acordo com as razões acima mencionadas, permite uma boa distribuição de fluxo entre o tubo de derivação primário e o tubo de derivação secundário para diminuir a queda de pressão no tubo primário, assegurando a descongelação adequada do trocador de calor.
[018] Além disso, um tubo de derivação secundário mais curto e/ ou um diâmetro menor de acordo com as razões acima evitam a sobrepressão no circuito de óleo quando a matriz do trocador de óleo é congelada sem ter que aumentar a seção transversal do tubo de derivação primário. Isso reduz o tamanho e a massa do tubo de derivação primário.
[019] Um tubo de derivação secundário com um comprimento menor será preferido devido à redução de massa induzida. Além disso, é muito vantajoso quando a entrada e a saída estão dispostas próximas umas das outras. O diâmetro do tubo de derivação secundário é assim ajustado de acordo com o comprimento do tubo para assegurar uma boa distribuição do fluxo de óleo nos tubos de derivação primário e secundário.
[020] A invenção também se refere a um motor de turbina com um circuito de óleo como descrito acima, no qual o trocador de calor óleo/ ar delimita radialmente uma superfície de fluxo de um fluxo de ar secundário radialmente para fora.
[021] A invenção será melhor compreendida, e outros detalhes, características e vantagens da invenção aparecerão após a leitura da seguinte descrição, dada por meio de um exemplo não restritivo, ao se referir aos desenhos anexos, em que: - A Figura 1 é uma representação esquemática de um circuito de óleo usando o estado da técnica já descrita acima; - A Figura 2 é uma representação esquemática de um circuito de óleo de acordo com a invenção, estando a válvula em uma posição aberta; - A Figura 3 é uma representação esquemática de um circuito de óleo de acordo com a invenção, estando a válvula em uma posição fechada; - A Figura 4 é uma vista esquemática, em perspectiva, a jusante de um motor de turbina que compreende um trocador de calor de acordo com a invenção; - A Figura 5 é uma vista esquemática em corte transversal do posicionamento de um trocador de calor, em um caminho do motor de turbina, - A Figura 6a vista esquemática de uma montagem de acordo com a invenção; - A Figura 6b mostra uma vista em corte transversal da montagem em um plano radial. - A Figura 7 é uma vista esquemática em perspectiva de uma seção transversal radial da montagem da Figura 6a;
[022] É feita referência à Figura 2, que representa um circuito de óleo (24) de acordo com a invenção. Nesta descrição, o termo trocador refere- se a um meio que é capaz de trocar calor entre duas entidades. Habitualmente, um invólucro estrutural envolve os meios de troca de calor, de modo que a montagem pode ser denominada trocador de calor sem que o invólucro estrutural participe ativamente na troca de calor. Assim, é claro que a invenção também abrange este tipo de produto.
[023] Como mostrado na Figura 2, o circuito de óleo (24) inclui um tubo de derivação primário (26) idêntico ao tubo de derivação (16) na Figura 1 e um tubo de derivação secundário (28) que liga a extremidade a montante do tubo de derivação primário (26) à extremidade a jusante do tubo de derivação primário (26). Mais especificamente, a extremidade a montante do tubo de derivação primário (26) e a extremidade a montante do tubo de derivação secundário (28) estão ligadas uma à outra na entrada do tubo de alimentação (30) do trocador de calor (31) ou, mais especificamente, da matriz (33) do trocador de calor (31).
[024] A extremidade a jusante do tubo de derivação primário (26) está ligada à entrada de uma válvula (22) cuja abertura/ fechamento são controlados por meios de controle (35) que autorizam/ bloqueiam o fluxo de fluido através da válvula (22) para uma temperatura do óleo abaixo de uma determinada temperatura limiar, por exemplo, 70 °C. Em uma realização particular da invenção, os meios de controle da válvula são passivos e são feitos de cera capaz de variar em volume de acordo com a temperatura ambiente. A variação de volume da cera dentro da válvula permite que o óleo passe seletivamente pela válvula ou bloqueie o fluxo de óleo a montante da válvula. A saída de válvula (22) está ligada a um tubo de saída (34) da matriz de trocador de calor.
[025] Em uma realização alternativa (não mostrada), a válvula (22) pode ser montada a montante da extremidade a montante do tubo de derivação primário (26) de modo a permitir que o fluido flua no tubo de derivação primário (26) para uma temperatura abaixo da temperatura limiar e proíba o fluxo de óleo para uma temperatura acima da temperatura limiar, sendo permitido o fluxo de óleo no tubo de alimentação (30) da matriz de óleo, independentemente da temperatura. Nesta realização, a extremidade a montante do tubo de derivação secundário (28) está ligada à saída da válvula (22) ou a jusante da extremidade a jusante do tubo de derivação primário (26).
[026] Ainda em uma outra realização da invenção, seria possível utilizar uma válvula para cada tubo de derivação primário (26) e secundário (28), sendo a abertura e o fechamento destas válvulas controlados simultaneamente pelos meios de controle.
[027] Na realização da Figura 2, a válvula (22) é, de preferência, uma válvula unidirecional de uma via de abertura-fechamento com duas posições, uma das quais permite que o óleo flua através dos tubos de derivação primário (26) e secundário (28) e a outra proíbe o fluxo através dos referidos tubos (26, 28). Ainda seria possível usar uma válvula pilotada com duas portas e duas posições.
[028] O fluxo de óleo na matriz (33) é representado pelas setas de tubo sólidas na Figura 2.
[029] De acordo com a invenção, quando o óleo na matriz (33) é congelado, o óleo flui através do tubo primário (26) e do tubo secundário (28), como representado pelas setas pontilhadas nas Figuras 2 e 3.
[030] O fluxo de óleo duplo no tubo primário (26) e no tubo secundário (28) aumenta o caudal do óleo em movimento quando a matriz (33) é congelada, reduzindo a sobrepressão no circuito de óleo (24), particularmente no tubo primário para um dado fluxo de óleo no tubo de alimentação (34).
[031] De preferência, o tubo secundário (28) tem uma seção transversal de passagem de óleo inferior ou igual ao diâmetro da seção transversal de passagem de óleo do tubo primário (26), de modo que o óleo flui principalmente através do tubo primário (26) e assegura assim que a matriz (33) é descongelada.
[032] Do mesmo modo, entende-se que o tubo secundário deve ser o mais curto possível para reduzir a queda de pressão no tubo primário, assegurando simultaneamente a descongelação adequada. Assim, por exemplo, o tubo secundário pode ser definido por um comprimento pelo menos dez vezes menor que o do tubo primário, e/ ou um diâmetro três vezes menor que o primeiro tubo.
[033] A Figura 4 mostra um motor de turbina (36) como visto a jusante (na direção do fluxo de ar) compreendendo uma roda insuflante (38) e o trocador de calor ar/ óleo (31) suportado por um invólucro anular externo (40) do percurso de fluxo de ar secundário (seta A em Figura 5). Como é melhor visto na Figura 5, o trocador de calor (31) é suportado pelo invólucro (40) e a sua matriz está disposta para formar uma superfície de fluxo radialmente externa do fluxo de ar secundário do motor de turbina, isto é, o fluxo de ar contornando os compressores de baixa e alta pressão, a câmara de combustão e as turbinas de alta e baixa pressão.
[034] Na prática, entende-se que o trocador de calor ar/ óleo (31) está na forma de um anel disposto em torno do eixo (42) do motor de turbina (36).
[035] Na descrição, o termo “tubo secundário” deve ser entendido como referindo-se a qualquer passagem de fluido permitindo que o óleo flua entre as extremidades a montante e a jusante do tubo primário.
[036] Assim, no trocador de calor descrito acima, o tubo secundário pode ser um orifício simples proporcionado em uma parede que separa o óleo que flui no tubo de alimentação (30) e o óleo que flui na parte a jusante do tubo primário (33).
[037] Em uma realização da invenção, o tubo primário tem um diâmetro de cerca de 12 mm e o tubo secundário é um orifício como indicado no parágrafo anterior e tem um diâmetro de 5 mm.
[038] O comprimento do tubo primário é, em uma realização, em torno de vários metros.
[039] A Figura 6a representa uma montagem (44) de acordo com a invenção compreendendo um invólucro formado por um primeiro meio-anel (46) e um segundo meio-anel (48) ligados um ao outro por uma peça central (50). Esta montagem (44) inclui, como descrito acima, um circuito de óleo (24) e uma matriz de troca de calor (33) bem como aletas de arrefecimento (70) dispostas na face radialmente interna da matriz de óleo (33). A peça central inclui uma entrada de óleo (30) na matriz (33), uma saída de óleo (34) da matriz (33) e a válvula unidirecional (22). Como descrito acima, a entrada de óleo (30) também fornece o tubo primário (26) e o tubo secundário (28) e a saída de óleo (34) está ligada à saída da válvula unidirecional (22) ou mais geralmente a uma saída da válvula (22).
[040] O primeiro meio-anel (46) compreende uma primeira ramificação de tubo semicircular (46a) e uma segunda ramificação de tubo semicircular (46c) ligadas uma à outra por uma ramificação de ligação (46b) formado na extremidade circunferencial oposta à peça central (50) (Figura 6b). A primeira ramificação (46a) é formada a montante da segunda ramificação (46c) e a ramificação de ligação (46b) do primeiro meio-anel (46) prolonga-se substancialmente axialmente. A primeira ramificação (46a), a segunda ramificação (46c) e a ramificação de ligação (46b) formam em conjunto uma primeira peça (52) do tubo de derivação primário (26).
[041] O segundo meio-anel (48) compreende uma primeira ramificação de tubo semicircular (48a) e uma segunda ramificação de tubo semicircular (48c) ligadas uma à outra por uma ramificação de ligação (48b) formado na extremidade circunferencial oposta à peça central (50). A primeira ramificação (48a) é formada a montante da segunda ramificação (48c) e a ramificação de ligação (48b) prolonga-se substancialmente axialmente. A primeira ramificação (48a), a segunda ramificação (48c) e a ramificação de ligação (48b) do segundo meio-anel (48) formam, em conjunto, uma segunda peça (54) do tubo de derivação primário (26). A primeira peça (52) do tubo de derivação primário e a segunda peça (54) do tubo de derivação primário juntas definem totalmente o tubo de derivação primário (26).
[042] Mais especificamente, como mostrado na Figura 7, a peça central (50) transporta a válvula (22) que inclui um corpo tubular (54) no qual um pistão (56) está montado de forma deslizante entre uma primeira posição de suporte em um assento (58) fechando o fluxo de óleo entre a saída (60) do tubo primário (26) e a saída (34) da matriz (33) e uma segunda posição na qual o pistão (56) está afastado do assento (58) e permite o fluxo de óleo. O pistão (56) compreende uma primeira peça radialmente externa (56a) deslizante com uma vedação no corpo e conectada por uma haste (56b) a uma cabeça (56c) do pistão destinada a ser apoiada no assento (58) ou ao redor da abertura de saída (62). Esta cabeça inclui um chanfro anular (64) para o suporte na periferia do orifício (62). Quando o óleo flui através da abertura (60), então flui através do tubo (66) para alcançar a saída (34) da matriz de óleo (33).
[043] Como mostrado na Figura 7, o tubo secundário (28) liga a extremidade a montante do tubo primário (26) à extremidade a jusante do tubo primário (26). Esta figura também mostra a porta de entrada de óleo (68) no tubo primário (26), estando esta porta (68) ligada à entrada de óleo (30) da matriz (33).
[044] O tubo primário (26) e o tubo secundário (28) são fornecidos através da entrada de óleo (30) da matriz (33). O óleo no tubo primário (26) e no tubo secundário (28) flui então para a válvula (22), a qual bloqueia o óleo na saída (60) do tubo primário (26) ou permite que o óleo escape através da saída (34) da matriz de óleo (33).
[045] O fluxo no tubo primário (26) inclui, em particular, um fluxo no primeiro meio-anel (46) e depois no segundo meio-anel (48) antes de alcançar a válvula (22). Mais especificamente, o óleo flui para a primeira ramificação semicircular (46a), depois para a ramificação de ligação (46b) e finalmente para a segunda ramificação semicircular (46c) do primeiro meio-anel (46). Uma vez que o óleo está na extremidade a jusante da segunda ramificação semicircular (46c) do primeiro meio-anel (46), o óleo flui então para o segundo meio-anel (48) na segunda ramificação semicircular (48c), depois na ramificação de ligação (48b) e finalmente na primeira ramificação semicircular (48a) antes de atingir a saída (34) da matriz de óleo (33) através da válvula (22).
Claims (7)
1. MONTAGEM (44) PARA UM MOTOR DE TURBINA (36), compreendendo um circuito de óleo (24), incluindo um trocador de calor ar/óleo (31), um tubo de derivação primário (26) que liga uma entrada do trocador de calor ar/óleo (31) a uma saída do trocador de calor ar/óleo (31) e que envolve o trocador de calor ar/óleo (31), de modo a trocar calor com o trocador de calor ar/óleo (31) e um tubo de derivação secundário (28) do tubo primário (26) que liga a extremidade a montante do tubo de derivação primário (26) à extremidade a jusante do tubo de derivação primário (26), o circuito (24) também compreende pelo menos uma válvula (22) para controlar a passagem do fluxo de óleo para os tubos de derivação primário (26) e secundário (28) e meios (35) para controlar a abertura da pelo menos uma válvula (22) para uma temperatura inferior a uma temperatura limiar, caracterizada pelo tubo de derivação secundário (28) possuir um comprimento pelo menos dez vezes menor que o comprimento do tubo de derivação primário (26).
2. MONTAGEM (44), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo circuito (24) incluir uma única válvula (22) disposta na saída do tubo de derivação primário (26) e a jusante da saída do tubo de derivação secundário (28).
3. MONTAGEM (44), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pela válvula de controle (22) ser uma válvula capaz de adotar pelo menos duas posições, uma primeira posição aberta da qual permite a passagem de óleo e uma segunda posição fechada bloqueia a passagem de óleo através da válvula (22).
4. MONTAGEM (44), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pela temperatura limiar ser de 70 °C.
5. MONTAGEM (44), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pela válvula de controle (22) ser uma válvula unidirecional de duas vias (22).
6. MONTAGEM (44), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo tubo de derivação secundário (28) ter um diâmetro pelo menos três vezes menor que o diâmetro do tubo de derivação primário (26).
7. MOTOR DE TURBINA (36), caracterizado por compreender uma montagem (44) conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, em que o trocador de calor óleo/ar (31) delimita radialmente para fora uma superfície de descarga de um fluxo de ar secundário.
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