BRPI0911837B1 - compressor de turbomáquina, turbomáquina e palheta de estator com passo variável para um compressor - Google Patents

Abstract

COMPRESSOR DE TURBOMÁQUINA, TURBOMÁQUINA E PÁ DE RETIFICADOR COM BLOQUEIO VARIÁVEL PARA UM COMPRESSOR Compressor de turbomáquina, que compreende pás com bloqueio variável que compreendem uma palheta (16) ligada por uma platina (17) de contorno circular a um pivô (18) guiado em rotação em um orifício do cárter (14), a platina compreendendo um conduto (40) de alimentação com ar do qual uma extremidade é destinada a se comunicar com uma passagem (46) formada no cárter quando a pá está em uma primeira posição, para a injeção de ar no trajeto de fluxo do compressor a montante da pá, e a ser obturada por esse cárter quando a pá está em uma segunda posição.

Description

[0001] A presente invenção se refere a um compressor de turbomáquina tal como um turborreator ou um turbopropulsor de avião, que compreende pelo menos um estágio estator com palhetas com passo variável.

[0002] As palhetas com passo variável desse estator são levadas por uma carcaça externa do compressor e compreendem cada uma delas uma pá que é ligada em sua extremidade radialmente externa por uma placa de contorno substancialmente circular a um pivô cilíndrico radial que define o eixo de rotação da palheta e que é geralmente centrado e guiado em rotação em um orifício que corresponde à carcaça externa. A extremidade radialmente interna da palheta compreende em geral um segundo pivô cilíndrico que se estende ao longo do eixo de rotação da palheta e que é guiado em rotação em um orifício de uma carcaça interna do compressor. O pivô externo da palheta é ligado por uma pequena biela a um aro de comando deslocado em rotação em torno da carcaça externa por um macaco ou análogo. A rotação do aro de comando transmitida pelas pequenas bielas faz girar as palhetas em tomo de seus eixos.

[0003] O passo angular das palhetas de estator em uma turbomáquina é destinado a adaptar a geometria do compressor a seu ponto de funcionamento e notadamente a otimizar o rendimento e a margem para o bombeamento dessa turbomáquina e a reduzir seu consumo de carburante nas diferentes configurações de vôo.

[0004] Cada uma dessa palhetas é deslocável em rotação em torno de seu eixo entre uma posição “de abertura” ou ”de plena abertura” na qual cada palheta se estende substancialmente paralelamente ao eixo longitudinal da turbomáquina, e uma posição “de fechamento” ou “de quase fechamento” na qual as palhetas são inclinadas em relação ao eixo da turbomáquina e reduzem assim a seção de passagem do ar através dos estágios de palhetas. Quando as palhetas estão na posição de abertura, a vazão de ar que escoa no compressor tem um valor máximo, e quando as palhetas estão na posição de fechamento, a vazão de ar que escoa no compressor tem um valor mínimo (para um regime de funcionamento dado). As palhetas podem adotar posições intermediárias entre essas duas posições extremas para fazer a vazão de ar que circula no compressor variar.

[0005] Quando a turbomáquina está em baixo regime ou no regime de desaceleração, as palhetas com passo variável são levadas para sua posição de fechamento, e quando a turbomáquina está em regime de pleno gás (para a decolagem por exemplo) as palhetas são levadas para sua posição de abertura.

[0006] Em baixo regime, apesar da posição fechada das palhetas de estator, o ângulo de incidência entre a direção de escoamento do ar no trajeto de fluxo do compressor e o perfil das palhetas pode atingir grandes valores que são origem a descolamentos de ar que reduzem ainda mais a seção de passagem do ar através do estágio de palhetas. Essas zonas de descolamento são principalmente localizadas ao nível das extremidades radialmente interna e externa das palhetas, e desaparecem quando a incidência do fluido sobre as palhetas atinge valores mais reduzidos.

[0007] É conhecido limitar esses descolamentos por injeção ou aspiração de ar nas zonas em questão. No entanto, a geometria dessa injeção ou dessa aspiração é em geral fixa e, se essa injeção ou aspiração é benéfica a um regime dado de funcionamento do compressor, sua presença de modo contínuo, inclusive em regimes nos quais ela não é necessária, pode afetar os desempenhos do motor (degradando assim o rendimento do compressor e, portanto, o consumo específico). Por outro lado, uma geometria fixa de injeção ou de aspiração limita as capacidades de otimização da margem para o bombeamento de um compressor.

[0008] A invenção tem notadamente como objetivo evitar esses inconvenientes de modo simples, eficaz e econômico.

[0009] Ela propõe para isso um compressor de turbomáquina, que compreende uma carcaça anular e pelo menos um estágio estator formado por uma fileira anular de palhetas com passo variável que compreendem cada uma delas uma pá ligada em pelo menos uma extremidade por uma placa de contorno substancialmente circular a um pivô cilíndrico radial guiado em rotação em um orifício correspondente da carcaça, cada palheta sendo deslocável em rotação em tomo de um eixo definido pelo pivô da palheta entre uma primeira posição e uma segunda posição, caracterizado pelo fato de que as placas de pelo menos algumas das palhetas compreendem cada uma delas um conduto de alimentação com ar de uma passagem que é formada na carcaça e da qual uma extremidade desemboca no trajeto de fluxo do compressor para a injeção de ar nesse trajeto de fluxo a montante da palheta, o conduto de alimentação formado na placa tendo uma extremidade destinada a se comunicar com a passagem correspondente da carcaça quando a palheta está na primeira posição, e a ser vedada pela carcaça quando a palheta está na segunda posição, de modo a que a vazão de injeção de ar dependa do ângulo de pá das palhetas.

[0010] Vantajosamente, as palhetas são deslocáveis entre uma posição de abertura e uma posição de fechamento, os condutos de alimentação das palhetas sendo destinados a se comunicarem com as passagens da carcaça quando as palhetas estão na posição de fechamento ou em uma posição intermediária, e a serem vedados pela carcaça quando as palhetas estão na posição de abertura.

[0011] Nesse último caso, as palhetas estando na posição de abertura, os condutos das placas são vedados pela carcaça e não há ar injetado no trajeto de fluxo. O rendimento da turbomáquina não é, portanto, afetado por uma injeção de ar que seria não necessária nos regimes elevados nos quais as palhetas estão na posição de abertura. Quando as palhetas estão na posição de fechamento ou na posição intermediária, os condutos das placas se comunicam com as passagens formadas na carcaça e ar é então injetado a montante no trajeto de fluxo do compressor para reduzir os descolamentos de ar precitados (descolamentos que podem sobrevir nas palhetas de estator ou em palhetas de uma roda móvel situada a jusante), o que melhora os desempenhos da turbomáquina nos baixos regimes ou nos regimes intermediários.

[0012] Em outros termos, a regulagem da posição angular das palhetas de estator permite modular a vazão de ar injetado no trajeto de fluxo do compressor, essa vazão sendo nula em pleno regime para não prejudicar e degradar o consumo específico do motor e tendo um valor determinado em baixo regime ou em regime intermediário para reduzir os descolamentos do ar nas palhetas de estator. A vazão máxima de ar injetado representa por exemplo menos de 5 % da vazão de ar que escoa no trajeto de fluxo do compressor. Essa vazão varia em função do ângulo de passo das palhetas e pode atingir valores médios quando as palhetas estão em posições intermediárias. A vazão de ar injetado pode ser calibrada de modo preciso controlando-se para isso as seções dos condutos formados nas placas e na carcaça.

[0013] Vantajosamente, as passagens formadas na carcaça desembocam no trajeto de fluxo do compressor, a montante do estágio estator ou a montante de uma roda móvel ou de um estágio estator precedente do compressor. A entrada da passagem da carcaça desemboca de preferência na parede cilíndrica de um entalhe de alojamento da placa da palheta. De acordo com uma outra característica da invenção, a saída do conduto de cada placa pode nesse caso estar situada na borda periférica dessa placa.

[0014] A saída do conduto de cada placa pode ter uma forma substancialmente circular, triangular, oblonga, retangular ou trapezoidal.

[0015] A entrada do conduto de alimentação de cada placa pode desembocar no trajeto de fluxo do compressor, por exemplo no lado do extradorso da pá dessa palheta, para a retirada de ar nesse trajeto de fluxo. Cria-se assim uma recirculação de ar de a jusante para a montante no estator. A retirada de ar no lado dos extradorsos das pás das palhetas permite limitar os descolamentos de ar precitados. É de fato ao nível dos extradorsos das pás das palhetas que o fluxo de ar que escoa no trajeto de fluxo é submetido a um fenômeno de recompressão que favorece a criação de zonas de descolamento na proximidade da borda de fuga das pás.

[0016] Em variante, o conduto de cada placa é ligado na entrada a um conduto substancialmente radial formado no pivô da palheta e ligado a um canal de retirada de ar que provém por exemplo do trajeto de fluxo do compressor, a jusante.

[0017] A injeção de ar pode ocorrer ao nível das extremidades radialmente externas ou ao nível das extremidades radialmente internas das palhetas do estator, e mesmo nas duas. A injeção de ar ao nível de uma das extremidades de uma palheta permite evitar o descolamento de ar na palheta, notadamente nas zonas próximas da carcaça (extremidades radialmente interna e/ou externa), e pode ter um impacto positivo em toda sua extensão radial.

[0018] A invenção se refere também a uma turbomáquina, tal como um turborreator, um turbopropulsor de avião, um turbomotor de helicóptero ou uma máquina industrial, caracterizada pelo fato de que ela compreende um compressor do tipo precitado.

[0019] A invenção se refere finalmente a uma palheta de estator com passo variável para um compressor tal como descrito acima, caracterizada pelo fato de que ela compreende uma pá ligada em uma extremidade por uma placa de contorno substancialmente circular a um pivô cilíndrico que define o eixo de rotação da palheta, a placa compreendendo um conduto do qual uma extremidade desemboca em sua borda periférica.

[0020] A outra extremidade do conduto pode ser ligada a um conduto substancialmente radial formado no pivô cilíndrico. Em variante, a outra extremidade do conduto desemboca em uma face da placa, situada no lado da pá.

[0021] A invenção será melhor compreendida e outros detalhes, características e vantagens da presente invenção aparecerão mais claramente com a leitura da descrição que se segue feita a título de exemplo não limitativo e em referência aos desenhos anexos nos quais: - a figura 1 é uma meia vista esquemática parcial em corte axial de um estator de um compressor de turbomáquina, - a figura 2 é uma vista esquemática parcial de cima de uma palheta com passo variável na posição de fechamento ou de quase fechamento, A figura 3 é uma vista em corte de acordo com a linha lll-IH’ da figura 2, - a figura 4 é uma vista que corresponde à figura 2 e que ilustra a palheta com passo variável na posição de abertura ou de plena abertura, - a figura 5 é uma vista em corte de acordo com a linha V-V’ da figura 4, - a figura 6 é uma vista esquemática parcial de cima de uma variante de realização de uma palheta com passo variável na posição de fechamento, - a figura 7 é uma vista em corte de acordo com a linha VII-VH’ da figura 6, - a figura 8 é uma vista que corresponde à figura 6 e que ilustra a palheta com passo variável na posição de abertura, - a figura 9 é uma vista em corte de acordo com a linha IX-IX’ da figura 8.

[0022] Faz-se primeiro referência à figura 1 que representa um estágio estator de palhetas 10 com passo variável de um compressor de alta pressão de turbomáquina, essas palhetas 10 sendo regularmente distribuídas em torno do eixo longitudinal A da turbomáquina e se estendendo substancialmente radialmente entre uma carcaça interna 12 e um carcaça externa 14 do compressor.

[0023] Cada palheta 10 compreende uma pá 16 ligada em sua extremidade radialmente externa por uma primeira placa 17 a um pivô cilíndrico radial 18, e em sua extremidade radialmente interna por uma segunda placa 19 a um pivô cilíndrico radial 20, os pivôs interno 20 e externo 18 definindo o eixo 22 de rotação da palheta.

[0024] O pivô cilíndrico externo 18 é introduzido em uma chaminé cilíndrica 24 da carcaça externa 14 e é guiado em rotação nessa chaminé por anéis cilíndricos 26. O pivô cilíndrico interno 20 é introduzido em um alojamento cilíndrico da carcaça interna 12 e é centrado e guiado em rotação nesse alojamento por uma bucha cilíndrica 28.

[0025] A pá 16 de cada palheta 10 compreende um intradorso 30 e um extradorso 32 ligados entre si a montante por uma borda 34 de ataque e a jusante por uma borda 36 de fuga dos gases 38 que escoam no trajeto de fluxo do compressor (figuras 1 e 2). As placas interna 19 e externa 17 têm cada uma delas um contorno substancialmente circular e são alojadas em entalhes de formas complementares da carcaça interna 12 e da carcaça externa 14, respectivamente.

[0026] As palhetas 10 são deslocáveis em rotação em torno de seus seixos 22 entre uma posição de fechamento ou de quase fechamento, representada na figura 2, e uma posição de abertura ou de plena abertura, representada na figura 4.

[0027] Na posição de fechamento da figura 2, as pás 16 das palhetas são inclinadas em relação ao eixo longitudinal A da turbomáquina e definem entre si uma seção mínima de passagem de ar no trajeto de fluxo. As palhetas 10 são levadas para essa posição quando a turbomáquina está em baixo regime ou em desaceleração, a vazão de ar que escoa no compressor tendo nesse caso um valor mínimo.

[0028] Na posição de abertura da figura 4, as pás 16 das palhetas se estendem substancialmente paralelamente ao eixo A da turbomáquina de modo a que a seção de passagem de ar entre as palhetas seja máxima. As palhetas 10 são levadas para essa posição quando a turbomáquina está no regime de pleno gás, a vazão de ar que escoa no compressor tendo nesse caso um valor máximo.

[0029] Na posição de fechamento, o escoamento de ar nas pás 16 tem uma grande incidência, o que gera descolamentos de ar nas pás 16, esses descolamentos desaparecendo quando as palhetas 10 estão próximas de suas condições de funcionamento nominais.

[0030] A invenção permite suprimir ou pelo menos reduzir esse inconveniente graças a uma injeção de ar a montante das palhetas 10 ao nível das extremidades radialmente internas e/ou externas das pás das palhetas, a vazão de ar injetado sendo máxima quando as palhetas estão na posição de fechamento para evitar a criação dos descolamentos de ar precitados, e nula quando essas palhetas estão na posição de plena abertura para não afetar negativamente os desempenhos da turbomáquina nos regimes elevados. Para isso, a vazão de injeção de ar depende do ângulo de passo das palhetas 10.

[0031] De acordo com a presente invenção, o ar destinado a ser injetado no trajeto de fluxo é trazido por condutos formados na placa interna e/ou na placa externa de pelo menos algumas das palhetas de um estágio de compressor, esses condutos se comunicando com passagens da carcaça correspondente do compressor para o encaminhamento do ar até o trajeto de fluxo.

[0032] Quando a placa interna 19 compreende tais condutos de ar, passagens de ar são formadas na carcaça interna 12, e quando a placa externa 17 compreende tais condutos de ar, passagens de ar são formadas na carcaça externa 14.

[0033] Por razões de clareza, os exemplos de realização da invenção descritos no que se segue se referem unicamente a condutos de ar formados nas placas externas 17 das palhetas e destinados a se comunicarem com passagens correspondentes da carcaça externa 14. Esses exemplos de realização são, no entanto, aplicáveis às placas internas 19 das palhetas e à carcaça interna 12.

[0034] No modo de realização das figuras 2 a 5, um conduto 40 de alimentação com ar é formado na placa 17 de cada palheta 10. Esse conduto 40 é substancialmente retilíneo e se estende substancialmente radialmente em relação ao eixo 22 de rotação da palheta. Ele desemboca em uma extremidade na borda periférica da placa 17 e sua extremidades oposta é ligada à extremidade radialmente interna de um outro conduto 42 que se estende substancialmente radialmente no eixo do pivô 18 da palheta. A extremidade radialmente externa desse conduto 42 é conectada por meios apropriados a meios de retirada de ar a jusante no compressor. A saída 44 do conduto 40 situada na periferia da placa tem uma forma substancialmente circular, triangular, oblonga, retangular ou trapezoidal e é destinada a se comunicar com um a passagem 46 formada na carcaça 14 quando a palheta está na posição de fechamento (figuras 2 e 3) e a ser vedada pela carcaça quando a palheta está na posição de abertura (figuras 4 e 5).

[0035] A passagem 46 da carcaça tem uma forma substancialmente em L e desemboca em uma extremidade na parede cilíndrica 48 do entalhe da carcaça que recebe a placa 17, sua outra extremidade desembocando no trajeto de fluxo do compressor para a injeção de ar nesse trajeto de fluxo (flecha 50). A saída 52 da passagem 46 na parede 48 pode ter uma forma qualquer. As formas geométricas especiais das saídas 44 dos condutos 40 permitem fazer a vazão de ar que passa através desses condutos variar de modo linear ou não linear por ocasião do deslocamento em rotação das palhetas em tomo de seus eixos.

[0036] Quando as palhetas 10 estão na posição de fechamento (figuras 2 e 3), os condutos 40 das placas estão alinhados com as passagens 46 da carcaça. Ar circula então nos condutos 42 dos pivôs, nos condutos 40 das placas, e depois nas passagens 46 da carcaça, o ar sendo em seguida injetado no trajeto de fluxo do compressor (flecha 50) para se opor aos descolamentos de ar nas pás 16 das palhetas 10. A vazão de ar injetado no trajeto de fluxo tem nesse caso um valor máximo.

[0037] Quando as palhetas 10 estão na posição de abertura (figuras 4 e 5), os condutos 40 das placas não se comunicam com as passagens 46 da carcaça e não há, portanto, ar injetado no trajeto de fluxo do compressor. Nessa posição, as saídas 44 dos condutos das placas são vedadas pela parede 48 do entalhe da carcaça 14 e as entradas das passagens 46 da carcaça são vedadas pelas bordas periféricas das placas 17.

[0038] A calibração precisa da vazão de ar injetado no trajeto de fluxo é possível pelo controle da seção dos condutos e passagens formados na placa e na carcaça.

[0039] As palhetas 10 podem adotar uma ou várias posições intermediárias entre as posições representadas nas figuras 2 e 4, a vazão de ar injetado sendo nesse caso função da seção de passagem do ar nos condutos 40 das placas e nas passagens 46 da carcaça.

[0040] Na variante de realização representada nas figuras 6 a 9, as passagens 46 da carcaça são idênticas àquelas das figuras 2 a 5.

[0041] Os condutos 54 das placas 17 se estendem em uma parte da dimensão transversal das placas e têm uma forma substancialmente em L. Eles compreendem uma saída 56 que desemboca na borda periférica da placa 17 e uma entrada que desemboca na face da placa, situada no lado da pá 16 da palheta. Essa entrada do conduto 54 desemboca no lado do extradorso da palheta 16 da palheta onde o ar está em ligeira depressão. As saídas 56 dos condutos 54 situadas nas bordas periféricas das placas têm uma forma substancialmente oval ou oblonga no exemplo representado.

[0042] As figuras 6 e 7 representam uma palheta 10 na posição de fechamento na qual o conduto 54 de sua placa se comunica com a passagem da carcaça 14. Uma parte da vazão de ar que circula no trajeto de fluxo do compressor é então retirada (flecha 58) pelos condutos 54 das placas, circula de a jusante para a montante nesses condutos, e depois na passagem 46 da carcaça para ser reinjetada a montante da palheta.

[0043] Quando a palheta 10 está na posição de abertura nas figuras 8 e 9, as passagens 46 e os condutos 54 não se comunicam um com o outro.

[0044] As passagens 46 formadas na carcaça 14 podem desembocar no trajeto de fluxo do compressor diretamente a montante do estágio de palhetas 10. Em variante, essas passagens podem se estender em uma dimensão dada na carcaça e em uma direção determinada e desembocar no trajeto de fluxo, a montante de uma roda móvel do compressor ou a montante de um outro estágio estator do compressor.

Claims (14)

1. Compressor de turbomáquina, que compreende uma carcaça anular (14) e pelo menos um estágio estator formado por uma fileira anular de palhetas (10) com passo variável que compreendem cada uma delas uma pá (16) ligada em pelo menos uma extremidade por uma placa (17) de contorno substancialmente circular a um pivô cilíndrico radial (18) guiado em rotação em um orifício correspondente da carcaça (14), cada palheta sendo deslocável em rotação em torno de um eixo definido pelo pivô da palheta entre uma primeira posição e uma segunda posição, caracterizado pelo fato de que as placas de pelo menos algumas das palhetas compreendem cada uma delas um conduto (40, 54) de alimentação com ar de uma passagem (46) que é formada na carcaça e da qual uma extremidade desemboca no trajeto de fluxo do compressor para a injeção de ar nesse trajeto de fluxo a montante da palheta, o conduto de alimentação formado na placa tendo uma extremidade (44, 56) destinada a se comunicar com a passagem correspondente da carcaça quando a palheta está na primeira posição, e a ser vedada pela carcaça quando a palheta está na segunda posição, de modo que a vazão de injeção de ar dependa do ângulo de pá das palhetas.

2. Compressor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as palhetas (10) são deslocáveis entre uma posição de abertura e uma posição de fechamento, os condutos de alimentação das palhetas sendo destinados a se comunicar com as passagens (46) da carcaça (14) quando as palhetas estão na posição de fechamento ou em uma posição intermediária, e a serem vedados pela carcaça quando as palhetas estão na posição de abertura.

3. Compressor de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os condutos de alimentação (40, 54) são formados em placas (17) radialmente externas das palhetas, e são destinados a se comunicar com passagens (46) formadas em uma carcaça externa (14) que circunda as palhetas.

4. Compressor de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os condutos de alimentação (40, 54) são formados em placas (19) radialmente internas das palhetas, e são destinados a se comunicar com passagens (46) formadas em uma carcaça interna (12) circundada pelas palhetas.

5. Compressor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizadopelo fato de que a extremidade (44, 56) do conduto de alimentação da placa destinada a ser vedada pela carcaça é situada na borda periférica dessa placa.

6. Compressor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizadopelo fato de que o conduto de alimentação (54) da placa (17) desemboca em sua outra extremidade no trajeto de fluxo do compressor a jusante da palheta para a retirada de ar nesse trajeto de fluxo.

7. Compressor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizadopelo fato de que o conduto de alimentação (40) da placa (17) é ligado a um conduto (42) substancialmente radial formado no pivô (18) da palheta e ligado à sua extremidade radialmente externa a um canal de retirada de ar no trajeto de fluxo do compressor a jusante do estágio estator.

8. Compressor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizadopelo fato de que a extremidade obturável (44, 56) do conduto da placa (17) tem uma forma substancialmente circular, triangular, oblonga, retangular ou trapezoidal.

9. Compressor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizadopelo fato de que a passagem (46) da carcaça desemboca no trajeto de fluxo do compressor, a montante de um estágio estator precedente ou de uma roda de compressor.

10. Compressor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizadopelo fato de que a passagem (46) da carcaça se estende para a montante a partir de um entalhe de alojamento da placa (17) da palheta.

11. Turbomáquina, tal como um turborreator, um turbopropulsor de avião, um turbomotor ou uma máquina industrial, caracterizadapelo fato de que compreende um compressor como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10.

12. Palheta de estator com passo variável para um compressor como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizadapelo fato de que compreende uma pá (16) ligada em pelo menos uma extremidade por uma placa (17) de contorno substancialmente circular a um pivô cilíndrico (18) que define o eixo (22) de rotação da palheta, a placa compreendendo um conduto (40, 54) do qual uma extremidade desemboca em sua borda periférica.

13. Palheta de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que a outra extremidade do conduto (40) é ligada a um outro conduto (42) formado no pivô cilíndrico.

14. Palheta de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que a outra extremidade do conduto (40) desemboca em uma face da placa, situada no lado da pá.

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