BR112020023648A2 - dispositivo de resfriamento de um cárter de turbomáquina - Google Patents

dispositivo de resfriamento de um cárter de turbomáquina Download PDF

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Benoit Guillaume SILET
Laurent Claude DESCAMPS
Bertrand Guillaume Robin PELLATON
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Safran Aircraft Engines
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Abstract

A invenção se refere a um dispositivo de resfriamento (21) de um cárter (18) anular de turbomáquina, que compreende uma caixa coletora (22) destinada a se estender circunferencialmente em torno do eixo do cárter (18), pelo menos dois tubos de resfriamento (23) que se estendem circunferencialmente e que são ligados ao volume interno da caixa (22), a caixa (22) e/ou cada tubo (23) compreendendo orifícios de ejeção que desembocam radialmente na direção do cárter (18), caracterizado pelo fato de que porções de conexão dos tubos (23) formadas moldadas solidariamente com a caixa (22) se estendem circunferencialmente salientes da caixa (22) formando assim entre si pelo menos uma zona cavada (29) da caixa que permite uma passagem de ar radialmente do interior para o exterior da caixa (22).

Description

“DISPOSITIVO DE RESFRIAMENTO DE UM CÁRTER DE TURBOMÁQUINA” DOMÍNIO
[0001] A presente invenção se refere a um dispositivo de resfriamento de um cárter de turbomáquina, tal como por exemplo uma turbomáquina de fluxo duplo.
CONTEXTO
[0002] A figura 1 representa uma turbomáquina 1 de fluxo duplo e de corpo duplo. O eixo da turbomáquina é referenciado X e corresponde ao eixo de rotação das partes giratórias. Na sequência, os termos axial e radial são definidos em relação ao eixo X.
[0003] A turbomáquina 1 compreende, de a montante para a jusante no sentido de escoamento dos gases, uma ventoinha 2, um compressor de baixa pressão 3, um compressor de alta pressão 4, uma câmara de combustão 5, uma turbina de alta pressão 6 e uma turbina de baixa pressão 7.
[0004] O ar proveniente da ventoinha 2 é dividido em um fluxo primário 8 que escoa em um veio anular primário 9, e um fluxo secundário 10 que escoa em um veio anular secundário 11 que circunda o veio anular primário 9.
[0005] O compressor de baixa pressão 3, o compressor de alta pressão 4, a câmara de combustão 5, a turbina de alta pressão 6 e a turbina de baixa pressão 7 são dispostos no veio primário 9.
[0006] O rotor da turbina de alta pressão 6 e o rotor do compressor de alta pressão 4 são acoplados em rotação por intermédio de uma primeira árvore 12 de maneira a formar um corpo de alta pressão.
[0007] O rotor da turbina de baixa pressão 7 e o rotor do compressor de baixa pressão 3 são acoplados em rotação por intermédio de uma segunda árvore 13 de maneira a formar um corpo de baixa pressão, a ventoinha 2 podendo ser ligada diretamente ao rotor do compressor de baixa pressão 3 ou então por intermédio de um trem de engrenagem epicicloidal por exemplo.
[0008] Como está melhor visível na figura 2, a turbina de baixa pressão 7 compreende em especial diferentes estágios sucessivos que compreendem rodas móveis 14 e partes fixas. A roda móvel compreende um disco 15 ao nível do qual são montadas pás 16, as extremidades das pás 16 são circundadas por um anel fixo 17 feito de material abrasivo, o dito anel 17 sendo fixado sobre o cárter 18 da turbina. Distribuidores 19 estão situados à jusante das rodas móveis 14. Os distribuidores 19 e os anéis 17 são montados sobre o cárter por intermédio de flanges ou de ganchos 20 que se estendem a partir da superfície radialmente interna do cárter 18.
[0009] A fim de garantir um alto rendimento da turbomáquina, convém limitar o fluxo de ar que não atravessa as rodas móveis 14 dos diferentes estágios, quer dizer limitar os vazamentos entre as extremidades radialmente externas das pás 16 e o anel 17 feito de material abrasivo. Para isso, convém controlar a folga ao nível dessa interface, essa folga sendo dependente da temperatura do cárter 18, e notadamente das zonas do dito cárter 18 que compreendem ganchos ou flanges 20 que sustentam o anel 17.
[0010] O fluxo de ar primário proveniente da câmara de combustão 5 apresenta uma temperatura elevada e aquece as partes situadas à jusante, tais como as partes fixas e móveis da turbina 6, 7.
[0011] A fim de controlar a folga precitada e de evitar qualquer degradação prematura das diferentes partes fixas e móveis da turbina, é necessário prever meios de resfriamento eficazes que podem se integrar facilmente no ambiente da turbomáquina.
[0012] O pedido de patente FR 3 021 700, em nome da Requerentes, divulga um dispositivo de resfriamento 21 de um cárter 18 de turbina de baixa pressão 7, visível na figura 3, que compreende caixas coletoras 22, cada caixa coletora 22 formando um canal que se estende axialmente.
[0013] O dispositivo 21 compreende além disso tubos 23 que se estendem circunferencialmente de um lado e de outro das caixas coletoras 22. Os ditos tubos 23, também chamados de rampas, são formados por canalizações curvas de seção circular, cada tubo 23 se estendendo circunferencialmente em torno do cárter por exemplo de acordo com um ângulo de cerca de 90º.
[0014] Cada tubo 23 compreende uma entrada de ar que desemboca no canal da caixa coletora 22 correspondente e uma extremidade distal fechada. Cada tubo 23 compreende por outro lado uma parede cilíndrica provida de orifícios de ejeção de ar voltados na direção do cárter 18, de modo que ar de resfriamento possa penetrar nas caixas coletoras 22 e depois nos tubos 23 antes de desembocar pelos orifícios em frente ao cárter 18, de maneira a resfriar o mesmo. É falado notadamente de resfriamento por impacto visto que o ar vem impactar o cárter 18.
[0015] A parte radialmente interna da caixa compreende também orifícios de ejeção de ar voltados na direção do cárter e destinados a seu resfriamento.
[0016] Foi constatado que as zonas do cárter situadas em frente às caixas compreendem degradações geradas por grandes tensões térmicas devidas a um resfriamento insuficiente dessas zonas.
RESUMO DA INVENÇÃO
[0017] A invenção tem notadamente como objetivo trazer uma solução simples, eficaz e econômica para esses problemas.
[0018] Com essa finalidade, ela propor um dispositivo de resfriamento de um cárter anular de turbomáquina, que compreende uma caixa coletora destinada a se estender circunferencialmente em torno do eixo do cárter, pelo menos dois tubos de resfriamento que se estendem circunferencialmente e que são ligados ao volume interno da caixa, a caixa e/ou cada tubo compreendendo orifícios de ejeção que desembocam radialmente na direção do cárter, caracterizado pelo fato de que porções de conexão dos tubos formadas moldadas solidariamente com a caixa se estendem circunferencialmente salientes da caixa formando assim entre si pelo menos uma zona cavada da caixa que permite uma passagem de ar radialmente do interior para o exterior da caixa.
[0019] A zona cavada pode se estender radialmente do interior para o exterior. A zona cavada pode se estender de uma extremidade radialmente interna da caixa até uma extremidade radialmente externa da caixa. Em outros termos, a zona cavada pode também desembocar radialmente no exterior da caixa.
[0020] Em variante, a zona cavada pode se estender em uma parte unicamente da dimensão radial da caixa e desembocar em uma zona radialmente mediana da caixa.
[0021] A zona cavada pode ser formada por pelo menos um furo disposto na caixa.
Em outros termos, a zona cavada pode compreender uma seção fechada.
[0022] Em variante, a zona cavada pode ser formada por pelo menos uma ranhura ou, mais geralmente, compreender uma seção aberta e desembocar circunferencialmente.
[0023] Em todos os casos, a zona cavada permite extrair uma parte do ar de resfriamento que impactou o cárter e evacuar o mesmo para uma outra zona. É evitado assim capturar uma parte do ar de resfriamento entre a caixa e o cárter, o que provocaria um grande aquecimento da zona em questão do cárter, e, portanto, uma degradação prematura ao nível dessa zona.
[0024] Ao contrário, na invenção, a zona cavada permite uma melhor circulação do ar, evitando assim um aquecimento e uma degradação do cárter.
[0025] Cada zona cavada pode compreender uma parte retilínea que se estende radialmente de uma extremidade radialmente interna até uma extremidade radialmente externa da caixa.
[0026] A parte retilínea radial da zona cavada pode ser formada por uma ranhura ou um furo.
[0027] Cada zona cavada pode compreender uma parte retilínea que se estende circunferencialmente de uma primeira extremidade axial até uma segunda extremidade axial da caixa.
[0028] A parte retilínea que se estende circunferencialmente da zona cavada pode ser formada por uma ranhura ou um furo.
[0029] Cada zona cavada é conectada a uma porção de conexão dos tubos por uma zona arredondada ou um boleamento de conexão.
[0030] São limitadas assim as perdas de carga por ocasião do escoamento do ar na zona cavada.
[0031] Os tubos podem ser ligados a uma porção de conexão dos tubos disposta em uma parte radialmente interna da caixa.
[0032] O dispositivo de resfriamento pode compreender um conduto de alimentação com ar de resfriamento que desemboca no volume interno da caixa, na parte radialmente externa da caixa.
[0033] O conduto de alimentação pode desembocar na caixa de acordo com uma direção orientada radialmente. O conduto de alimentação pode desembocar em uma zona axialmente mediana da caixa.
[0034] O dispositivo de resfriamento pode compreender pelo menos dois primeiros tubos e pelo menos dois segundos tubos, os primeiros e segundos tubos se estendendo circunferencialmente de um lado e de outro da caixa, respectivamente, a caixa delimitando pelo menos uma primeira zona cavada situada axialmente entre dois primeiros tubos e pelo menos uma segunda zona cavada situada axialmente entre os dois segundos tubos.
[0035] A relação entre a dimensão circunferencial da caixa ao nível de cada zona de conexão de um tubo e a dimensão circunferencial da caixa ao nível de cada zona cavada pode ser compreendida entre 0,2 e 0,7.
[0036] A invenção também se refere a um conjunto que compreende um cárter anular de turbomáquina, por exemplo um cárter anular de turbina, caracterizado pelo fato de que ele compreende um dispositivo de resfriamento do tipo precitado, montado sobre o dito cárter e que circunda o dito cárter.
[0037] A invenção se refere por outro lado a uma turbomáquina que compreende pelo menos um conjunto do tipo precitado.
[0038] A invenção será melhor compreendida e outros detalhes, características e vantagens da invenção aparecerão com a leitura da descrição seguinte feita a título de exemplo não limitativo em referência aos desenhos anexos.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS - a figura 1 é uma vista em corte axial de um turborreator de fluxo duplo da arte anterior, - a figura 2 é uma vista em corte axial de uma parte do turborreator da arte anterior, que ilustra notadamente a turbina de baixa pressão, - a figura 3 é uma vista em perspectiva de um dispositivo de resfriamento da arte anterior, - a figura 4 é uma vista em perspectiva de uma parte de um dispositivo de resfriamento de acordo com uma forma de realização da invenção,
- a figura 5 é uma vista esquemática de uma parte de um dispositivo de resfriamento de acordo com a invenção, - a figura 6 é uma vista que corresponde à figura 4, que ilustra uma variante de realização da invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0039] As figuras 4 e 5 representam uma parte de um dispositivo de resfriamento 21 de um cárter 18 de turbomáquina 1 de acordo com uma forma de realização da invenção. Na descrição, os termos “axial”, “radial” e “circunferencial” são definidos em relação ao eixo do cárter 18, que corresponde também ao eixo X da turbomáquina 1.
[0040] O dispositivo compreende uma caixa coletora 22 que se estende de acordo com o eixo do cárter 18, cavada e que delimita um volume interno.
[0041] Tubos 23 de resfriamento que se estendem circunferencialmente de um lado e de outro da caixa 22 são ligados ao volume interno da caixa 22.
[0042] Cada tubo 23 compreende por exemplo uma primeira extremidade circunferencial 24 que desemboca na caixa 22 e uma segunda extremidade circunferencial fechada, como isso é conhecido em si. Cada tubo 23 compreende uma seção circular, orifícios de ejeção de ar 25 sendo formados na parte radialmente interna de cada tubo 23, os orifícios de ejeção 25 desembocam em frente ao cárter
18. Cada tubo 23 se estende circunferencialmente em torno do cárter 18, em uma faixa angular que pode variar em função das aplicações. Cada tubo 23 se estende por exemplo circunferencialmente em cerca de 90 ou 180 graus.
[0043] Os tubos 23 são ligados à parte radialmente interna 26 da caixa 22.
[0044] Orifícios de ejeção de ar 27 também são formados na parte radialmente interna da caixa 22, em especial ao nível da superfície radialmente interna 28 voltada na direção do cárter, os ditos orifícios 27 desembocando na direção do cárter 18.
[0045] Os orifícios 26 da caixa 22 e os orifícios dos tubos 23 são regularmente distribuídos na circunferência e são situados aqui em um mesmo plano radial. O passo entre os orifícios 25, 28 pode ser fixo ou variável, em função das aplicações. Os orifícios 25, 28 têm por exemplo uma seção circular.
[0046] A caixa 22 compreende passagens de ar formadas por zonas cavadas 29.
Cada passagem de ar ou zona cavada 29 compreende em especial uma parte retilínea 30 formada por uma ranhura que se estende radialmente da extremidade radialmente interna até a extremidade radialmente externa da caixa 22. Cada zona cavada 29 compreende por outro lado uma parte retilínea 31 formada por uma ranhura que se estende axialmente e que desemboca em suas extremidades,
[0047] Para cada par de tubos 23 adjacentes situados de um mesmo lado circunferencial da caixa 22, a ranhura radial 30 correspondente está situada axialmente entre os planos radiais nos quais se estendem os ditos tubos 23 adjacentes.
[0048] Cada ranhura 30, 31 é delimitada por uma superfície de fundo 32 e duas superfícies lateais 33. Na forma de realização ilustrada nas figuras 4 e 5, as superfícies laterais 33 são planas e são perpendiculares à superfície de fundo 32. De acordo com uma outra forma de realização ilustrada na figura 6, as superfícies laterais 33 e a superfície de fundo 32 podem compreender zonas de boleamentos de conexão ou zonas arredondadas 34.
[0049] A relação entre a dimensão circunferencial da caixa 22 ao nível de cada zona de conexão de um tubo 23 e a dimensão circunferencial da caixa 22 ao nível de cada zona cavada 29 é compreendida entre 0,2 e 0,7.
[0050] O dispositivo de resfriamento 21 compreende por outro lado um conduto 35 de alimentação com ar de resfriamento que desemboca no volume interno da caixa 22, na parte radialmente externa da caixa 22 e em uma zona axialmente mediana da caixa 22.
[0051] O conduto de alimentação 35 desemboca na caixa 22 de acordo com uma direção orientada radialmente.
[0052] Em funcionamento, ar de resfriamento é trazido para o volume interno da caixa 22 pelo conduto de alimentação 35. Esse ar de resfriamento é em seguida distribuído de modo homogêneo entre os diferentes tubos 23 de resfriamento. Uma parte do ar contido na caixa 22 é ejetada na direção do cárter 18 pelos orifícios 28 da caixa 22. O ar que circula nos tubos 23 é ejetado na direção do cárter 18 pelos orifícios dos tubos 23. Esse ar de resfriamento impacta o cárter 18, o que permite abaixar sua temperatura. O ar que serviu para resfriar o cárter 18 é evacuado, não somente nos espaços delimitados axialmente entre os tubos 23, mas também através das zonas cavadas 29. Em especial, uma parte do ar de resfriamento reaquecida em contato com o cárter 18 é evacuada radialmente para o exterior, através das ranhuras radiais 30 e/ou através das ranhuras axiais 31.
[0053] É melhorado assim o resfriamento do cárter 18, evitando assim a estagnação de ar quente sob a caixa 22, quer dizer radialmente entre a caixa 22 e o cárter 18.

Claims (9)

REIVINDICAÇÕES
1. Dispositivo de resfriamento (21) de um cárter (18) anular de turbomáquina (1), que compreende uma caixa coletora (22) destinada a se estender circunferencialmente em torno do eixo (X) do cárter, pelo menos dois tubos de resfriamento (23) que se estendem circunferencialmente e que são ligados ao volume interno da caixa (22), a caixa (22) e/ou cada tubo (23) compreendendo orifícios de ejeção (25, 28) que desembocam radialmente na direção do cárter (18), caracterizado pelo fato de que porções de conexão dos tubos (23) formadas moldadas solidariamente com a caixa (22) se estendem circunferencialmente salientes da caixa (22) formando assim entre si pelo menos uma zona cavada (29) da caixa (22) que permite uma passagem de ar radialmente do interior para o exterior da caixa (22), e em que cada zona cavada (29) compreende uma parte retilínea (31) que se estende de uma primeira extremidade axial até uma segunda extremidade axial da caixa (22).
2. Dispositivo de resfriamento (21) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada zona cavada (29) compreende uma parte retilínea (30) que se estende radialmente de uma extremidade radialmente interna até uma extremidade radialmente externa da caixa (22).
3. Dispositivo de resfriamento (21) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que cada zona cavada (29) é conectada a uma porção de conexão dos tubos (23) por uma zona arredondada ou um boleamento de conexão (34).
4. Dispositivo de resfriamento (21) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que os tubos (23) são ligados a uma porção de conexão dos tubos (23) disposta em uma parte radialmente interna (26) da caixa (22).
5. Dispositivo de resfriamento (21) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que ele compreende um conduto (35) de alimentação com ar de resfriamento que desemboca no volume interno da caixa (22), na parte radialmente externa da caixa (22).
6. Dispositivo de resfriamento (21) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que ele compreende pelo menos dois primeiros tubos (23) e pelo menos dois segundos tubos (23), os primeiros e segundos tubos (23) se estendendo circunferencialmente de um lado e de outro da caixa (22), respectivamente, a caixa (22) delimitando pelo menos uma primeira zona cavada (29) situada axialmente entre dois primeiros tubos (23) e pelo menos uma segunda zona cavada (29) situada axialmente entre os dois segundos tubos (23).
7. Dispositivo de resfriamento (21) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a relação entre a dimensão circunferencial da caixa (22) ao nível de cada porção de conexão de um tubo (23) e a dimensão circunferencial da caixa (22) ao nível de cada zona cavada (29) é compreendida entre 0,2 e 0,7.
8. Conjunto de turbomáquina que compreende um cárter (18) anular de turbomáquina (1), caracterizado pelo fato de que ele compreende um dispositivo de resfriamento (21) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, montado sobre o dito cárter (18) e que circunda o dito cárter (18).
9. Turbomáquina (1) caracterizada pelo fato de que ela compreende pelo menos um conjunto de turbomáquina como definido na reivindicação 8.
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