BRPI0914742B1 - compressor de turbomáquina, turbomáquina e pá de passo variável para o compressor - Google Patents

Abstract

COMPRESSOR DE TURBOMÁQUINA, TURBOMÁQUINA E PÁ DE AJUSTE VARIÁVEL PARA UM COMPRESSOR Compressor de turbomáquina, que compreende pás de ajuste variável que compreendem uma lâmina ligada por uma platina (17) de contorno circular a um pivô (18) guiado em rotação em um orificio de um cárter (14), a platina da pá compreendendo pelo menos um recorte (60) de retirada de ar na corrente do compressor, esse recorte sendo destinado a se comunicar com um furo (62) do cárter para a evacuação do ar retirado quando as pás estão em uma primeira posição, e a ser obturado por esse cárter quando as pás estão em uma segunda posição, de modo a que a vazão de retirada de ar dependa do ângulo de ajuste das pás

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 retificador formado por pás de passo variável.

[0002] Um estágio retificador de um compressor desse tipo compreende uma fileira anular de pás de estator de passo variável que são levadas por um cárter externo do compressor. Cada pá compreende uma lâmina 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 pá e que é guiado em rotação em um orifício correspondente do cárter externo. A extremidade radialmente interna da lâmina de cada pá compreende em geral um segundo pivô cilíndrico que se estende ao longo do eixo de rotação da pá e que é guiado em rotação em um orifício de um cárter interno do compressor. De modo conhecido, a extremidade radialmente externa do pivô externo de cada pá é ligada por uma pequena biela a um anel de comando deslocado em rotação em torno do cárter externo por um macaco ou análogo. A rotação do anel de comando é transmitida pelas pequenas bielas aos pivôs externos das pás e as faz girar em torno de seus eixos.

[0003] O passo angular das pás 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 dessas pás é deslocável em rotação em torno de seu eixo entre uma primeira posição “de abertura” ou “de plena abertura” na qual cada pá se estende substancialmente paralelamente ao eixo longitudinal da turbomáquina, e uma segunda posição “de fechamento” ou de “quase fechamento” na qual as pás são inclinadas em relação ao eixo da turbomáquina e reduzem assim a seção de passagem do ar através do estágio de pás. Quando as pás estão na posição de abertura, a vazão de ar que escoa dentro do compressor tem um valor máximo, e quando as pás estão na posição de fechamento, a vazão de ar que escoa dentro do compressor tem um valor mínimo (para um regime de funcionamento dado). As pás podem adotar posições intermediárias entre essas duas posições extremas para assim se adaptarem às variações de vazão de ar que circula dentro do compressor.

[0005] Quando a turbomáquina está em baixo regime ou em regime de desaceleração, as pás de 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 pás são levadas para sua posição de abertura.

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

[0007] É conhecido limitar esses descolamentos em grades de pás de estator por retiradas de ar nas zonas em questão, graças a orifícios feitos ao nível do cárter externo ou interno na circunvizinhança das pás. No entanto, a geometria dessas retiradas é em geral fixa e, se a retirada é benéfica em 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 retirada limita as capacidades de otimização da margem para o bombeamento de um compressor.

[0008] A invenção tem notadamente como objetivo trazer uma solução simples, eficaz e econômica para esses inconvenientes.

[0009] Ela propõe para isso um compressor de turbomáquina, que compreende um cárter anular e pelo menos um estágio retificador formado por uma fileira anular de pás de passo variável que compreendem cada uma delas uma lâmina 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 do cárter, cada pá sendo deslocável em rotação em torno de um eixo definido pelo pivô da pá entre uma primeira posição e uma segunda posição, caracterizado pelo fato de que as placas de pelo menos algumas das pás compreendem cada uma delas um orifício de retirada de ar no duto do compressor, esses orifícios sendo destinados a se comunicarem com furos de passagem de ar formado no cárter quando as pás estão na primeira posição, e a ser obturados pelo cárter quando as pás estão na segunda posição, de modo a que a vazão de retirada de ar dependa do ângulo de passo das pás.

[0010] Vantajosamente, as pás são deslocáveis entre uma posição de abertura e uma posição de fechamento, os orifícios das placas das pás sendo destinados a se comunicarem com os furos do cárter quando as pás estão na posição de fechamento ou em uma posição intermediária, e a ser obturados pelo cárter quando as pás estão na posição de abertura.

[0011] Nesse último caso, as pás estando na posição de abertura, os orifícios das placas das pás são obturados pelo cárter e não há, portanto, ar retirado. O rendimento da turbomáquina não é, portanto, afetado pela retirada de ar nos regimes elevados nos quais as pás estão na posição de abertura. Quando as pás estão na posição de fechamento ou na posição intermediária, os orifícios das placas das pás se comunicam com os furos formados no cárter, gerando assim uma seção disponível para a retirada de fluido que varia com o ângulo de passo, que permite que uma pequena parte da vazão de ar que escoa no duto do compressor seja retirada para reduzir os descolamentos de ar precitados, o que melhora os desempenhos da turbomáquina em baixo regime ou em regime intermediário.

[0012] Em outros termos, o passo angular das pás de estator permite modular a vazão de ar retirado do duto 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 para reduzir os descolamentos de ar sobre as pás. A vazão máxima de ar retirado representa por exemplo menos de 5 % da vazão de ar que escoa do duto do compressor. Essa vazão varia em função do ângulo de passo das pás e pode atingir valores médios quando as pás estão em posições intermediárias.

[0013] A retirada de ar pode ocorrer ao nível da placa externa ou ao nível da placa interna de cada pá, e mesmo os dois. A retirada de ar em uma só das placas de cada pá permite evitar o descolamento de ar sobre a lâmina dessa pá, em sensivelmente toda sua dimensão radial.

[0014] Os orifícios das placas das pás podem cada um deles ter uma forma substancialmente circular, triangular, oblonga, retangular ou trapezoidal. Os orifícios das placas podem ser recortes da periferia das placas. Os furos do cárter podem também cada um deles ter uma forma substancialmente circular, triangular, oblonga, retangular ou trapezoidal.

[0015] Vantajosamente, os orifícios das placas das pás desembocam no duto do compressor, no lado dos extradorsos das lâminas dessas pás. É de fato ao nível do extradorso das lâminas das pás que o fluxo de ar que escoa no duto é submetido a um fenômeno de depressão que favorece a criação de zonas de descolamento.

[0016] Os orifícios das placas podem ter cada um deles um diâmetro ou uma dimensão transversal superior àquele(a) dos furos do cárter de modo a que as vazões de ar retiradas sejam notadamente função dos diâmetros ou das dimensões transversais dos furos do cárter. Em variante, os orifícios das placas têm cada um deles um diâmetro ou uma dimensão transversal inferior àquele(a) dos furos do cárter. Preferencialmente, buchas de calibração da vazão de ar retirado são montadas nos furos do cárter ou nos orifícios das placas.

[0017] A invenção também se refere a uma turbomáquina, tal como um turborreator, um turbopropulsor de avião, um turbomotor de helicóptero, uma máquina industrial, ou qualquer outra máquina que utiliza um compressor com pás de passo variável (inclusive um compressor centrifugo), caracterizada pelo fato de que ela compreende um compressor do tipo precitado.

[0018] A invenção também se refere a uma pá de passo variável para um compressor tal como descrito acima, caracterizada pelo fato de que ela compreende uma lâmina ligada em uma extremidade por uma placa de contorno substancialmente circular a um pivô cilíndrico que define o eixo de rotação da pá, a placa compreendendo pelo menos um orifício que se estende substancialmente paralelamente ao eixo de rotação da pá e que desemboca no lado da lâmina, na proximidade do extradorso dessa lâmina.

[0019] 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 estágio de pás de passo variável de um compressor de turbomáquina de acordo com a técnica anterior, - a figura 2 é uma vista esquemática parcial do estágio de pás da figura 1, visto de cima, e ilustra as pás na posição de fechamento ou de quase fechamento, - a figura 3 é uma vista que corresponde à figura 2 e ilustra as pás na posição de abertura ou de plena abertura, - as figuras 4 e 5 são vistas esquemáticas parciais de ume estágio de pás de passo variável de um compressor de turbomáquina de acordo com a invenção, visto de cima, e ilustram respectivamente as pás desse estágio nas posições de fechamento e de abertura, - as figuras 6 a 8 são vistas esquemáticas parciais de uma variante de realização do estágio de pás de passo variável de acordo com a invenção, visto de cima, e ilustram três posições especiais das pás desse estágio, - as figuras 9 e 10 são vistas esquemáticas de outras variantes de realização de pás de passo variável, vistas de cima.

[0020] É feito primeiro referência à figura 1 que representa um estágio retificador de pás 10 de passo variável de um compressor de alta pressão de turbomáquina, essas pás 10 sendo regularmente distribuídas em torno do eixo longitudinal da turbomáquina e se estendendo substancialmente radialmente entre um cárter interno 12 e um cárter externo 14 do compressor.

[0021] Cada pá 10 compreende uma lâmina 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 pá.

[0022] O pivô cilíndrico externo 18 é introduzido em um conduto cilíndrico 24 do cárter externo 14 e é guiado em rotação desse conduto por aros cilíndricos 26. O pivô cilíndrico interno 20 é introduzido em um alojamento cilíndrico do cárter interno 12 e é guiado em rotação dentro desse alojamento por uma bucha cilíndrica 28.

[0023] A lâmina 16 de cada pá 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 duto do compressor (figuras 1 a 3). As placas interna 19 e externa 17 têm cada uma delas um contorno substancialmente circular e são alojadas em entalhes de formas complementares do cárter interno 12 e do cárter externo 14, respectivamente.

[0024] As pás 10 são deslocáveis em rotação em torno de seus eixos 22 entre uma posição de fechamento ou de quase fechamento, representada na figura 2, e uma posição de abertura ou de plena abertura desse duto, representada na figura 3.

[0025] Na posição de fechamento da figura 2, as lâminas 16 das pás são inclinadas em relação ao eixo longitudinal A da turbomáquina e definem entre si uma seção mínima de passagem de ar no duto (flecha 50). As pás 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.

[0026] Na posição de abertura da figura 3, as lâminas 16 das pás se estendem substancialmente paralelamente ao eixo A da turbomáquina de modo a que a seção de passagem de ar entre as lâminas seja máxima (flecha 52). As pás 10 são levadas para essa posição quando a turbomáquina está em regime de pleno gás, a vazão de ar que escoa no compressor tendo nesse caso um valor máximo.

[0027] Na posição de fechamento, são constatados, no entanto, descolamentos de ar sobre as lâminas 16, entre as placas 17 e 19, em razão da grande incidência do escoamento sobre as lâminas, esses descolamentos desaparecendo quando as pás 10 estão próximas de suas condições de funcionamento nominais.

[0028] A invenção permite corrigir esse problema graças a uma retirada de ar ao nível das extremidades radialmente interna e/ou externa das lâminas das pás, essa retirada sendo máxima quando as pás estão na posição de fechamento e nula quando essas pás estão na posição de plena abertura de modo que ela não afeta negativamente os desempenhos da turbomáquina nos regimes elevados. Para isso, a retirada de ar depende do ângulo de passo das pás.

[0029] De acordo com a presente invenção, essa retirada de ar ocorre através dos orifícios da placa interna e/ou da placa externa de pelo menos algumas das pás de um estágio do compressor, esses orifícios se comunicando com furos ou perfurações do cárter correspondente do compressor para assegurar a evacuação do ar retirado.

[0030] Quando a placa interna 19 compreende tais orifícios de retirada de ar, furos ou perfurações de passagem do ar retirado são formados no cárter interno 12, e quando a placa externa 17 compreende tais orifícios, furos ou perfurações de evacuação do ar retirado são formados no cárter externo 14.

[0031] Por razões de clareza, os exemplos de realização da invenção descritos na sequência se referem unicamente a orifícios de retirada de ar formados nas placas externas 17 das pás e destinados a se comunicarem com furos ou perfurações correspondentes do cárter externo 14. Esses exemplos de realização são, no entanto, aplicáveis às placas internas 19 das pás e ao cárter interno 12.

[0032] No modo de realização das figuras 4 e 5, as pás 10 diferem das pás das figuras 1 a 3 pelo fato de que suas placas externas 17 compreendem cada uma delas um recorte transpassante 60. Esse recorte 60 se estende a partir da borda circular da placa na direção do eixo de rotação 22 da pá. Ele tem uma forma substancialmente triangular cuja base é substancialmente tangente à borda circular da placa 17 e cujo vértice oposto é encurvado e situado na proximidade do pivô externo 18 da pá. As duas bordas laterais de cada recorte 60 são ligadas à periferia circular da placa por cantos de forma arredondada convexa.

[0033] O recorte 60 forma um ângulo de cerca de 50 a 80° em torno do eixo 22. Ele atravessa substancialmente radialmente a placa e desemboca na face interna da placa 17, no lado do extradorso 32 da lâmina 16 da pá onde o ar está em ligeira depressão.

[0034] Furos 62 substancialmente circulares são formados no cárter externo 14 do compressor, na proximidade dos condutos 24 de alojamento dos pivôs externos 18 das pás. O número de furos 62 do cárter pode ser igual ao número de pás 10, ou então ser um múltiplo inteiro do número de pás.

[0035] No exemplo de realização das figuras 4 e 5, um furo 62 do cárter é formado na proximidade de cada conduto 24. Quando as pás estão na posição de fechamento (figura 4), os furos 62 do cárter estão situados perpendicularmente aos recortes 60 e se comunicam com esses últimos de modo a que uma parte da vazão de ar que escoa no compressor seja retirada e encaminhada para o exterior do cárter externo (essa vazão de ar tendo um valor máximo representado esquematicamente pelo enchimento completo em preto dos círculos 62 que representam os furos do cárter). Esse ar pode ser recuperado em um coletor anular (não representado) que se estende em torno do cárter externo e no qual desembocam os furos 62 desse cárter.

[0036] Quando as pás 10 estão na posição de abertura (figura 5), as extremidades radialmente externas dos recortes 60 das placas não se comunicam mais com os furos 62 do cárter e não há, portanto, ar retirado através deles do duto do compressor. Nessa posição, os recortes 60 das placas são obturados pelo cárter 14 e os furos 62 do cárter são obturados pelas placas 17.

[0037] Quanto maior for a seção de passagem de ar entre um recorte 60 e o furo 62 correspondente, maior será a vazão de ar retirado. Quando o recorte 60 está alinhado radialmente com o furto 62 do cárter (figura 4), a vazão de ar retirado é máxima e depende da seção transversal do furo do cárter que é aqui menor do que aquela do recorte 60. A calibração precisa de vazão de ar retirado é, portanto, possível nesse caso pelo controle da seção do furo 62 usinado no cárter.

[0038] No caso especial de um estágio formado por 100 pás regularmente distribuídas em torno do eixo longitudinal da turbomáquina, a vazão total de ar retirado representa por exemplo 5 % da vazão de ar que circula dentro do compressor. A vazão de ar retirado por cada furo 62 representa nesse caso 0,05 % da vazão de ar do compressor.

[0039] As pás 10 podem adotar uma ou várias posições intermediárias entre as posições representadas nas figuras 4 e 5, a vazão de ar retirado sendo nesse caso função da seção de passagem do ar entre os recortes 60 das placas e os furos 62 do cárter.

[0040] Na variante de realização representada nas figuras 6 a 8, as placas 17 das pás compreendem orifícios 64 transpassantes substancialmente circulares de retirada de ar. Os orifícios têm aqui um diâmetro superior àquela dos furos 62 do cárter. Esses orifícios 64 têm uma orientação substancialmente radial e desembocam nas faces radialmente internas das placas externas das pás, no lado do extradorso 32 das lâminas dessas pás.

[0041] A figura 6 representa as pás 10 na posição de abertura na qual os orifícios 64 de suas placas não estão alinhados e não se comunicam com os furos 62 do cárter 14. A vazão de ar retirado é nesse caso nula. As pás 10 estão em uma posição intermediária na figura 7 na qual a vazão retirada tem um valor dado, e em uma posição de fechamento na figura 8 na qual a seção de passagem oferecida à retirada definida pela coincidência das seções dos orifícios 64 das placas e daquelas dos furos 62 do cárter é máxima.

[0042] Os recortes 60 e os orifícios 64 das placas, assim como os furos 62 do cárter, podem ter qualquer forma e têm por exemplo uma forma quadrada, triangular, trapezoidal, oblonga, ovoide, circular, etc...

[0043] No caso da figura 9, o orifício 66 da placa externa 17 da pá tem uma forma substancialmente triangular, e naquele da figura 10, o orifício 68 da placa 17 tem uma forma oblonga. Essas diferentes formas dos orifícios ou recortes da placa e dos furos do cárter permitem fazer a vazão de ar retirado variar de modo linear ou não linear por ocasião do deslocamento em rotação das pás em torno de seus eixos.

[0044] As placas 17, 19 das pás podem compreender mais de um orifício de retirada de ar. Além disso, cada um desses orifícios pode se comunicar com mais de um furo ou perfuração do cárter quando as pás estão na posição fechada. Os orifícios ou recortes das placas assim como os furos do cárter têm uma orientação substancialmente radial, e mesmo ligeiramente oblíqua. Buchas cilíndricas não representadas podem ser alojadas nos furos do cárter para calibrar com precisão a vazão de retirada de ar.

Claims (12)

1. Compressor de turbomáquina, que compreende um cárter anular (14) e pelo menos um estágio retificador formado por uma fileira anular de pás (10) de passo variável que compreendem cada uma delas uma lâmina (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 do cárter (14), cada pá sendo deslocável em rotação em torno de um eixo definido pelo pivô da pá entre uma primeira posição e uma segunda posição, caracterizado pelo fato de que as placas de pelo menos algumas das pás compreendem cada uma delas um orifício (60, 64, 66, 68) de retirada de ar do duto do compressor, esses orifícios sendo destinados a se comunicarem com furos (62) de passagem de ar formado no cárter quando as pás estão na primeira posição, e a ser obturados pelo cárter quando as pás estão na segunda posição, de modo a que a vazão de retirada de ar dependa do ângulo de passo das pás.

2. Compressor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as pás (10) são deslocáveis entre uma posição de abertura e uma posição de fechamento, os orifícios (60, 64, 66, 68) das placas das pás sendo destinados a se comunicarem com os furos (62) do cárter (14) quando as pás estão na posição de fechamento ou em uma posição intermediária, e a ser obturados pelo cárter quando as pás estão na posição de abertura.

3. Compressor, de acordo qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os orifícios são formados em placas (17) radialmente externas das pás, e são destinados a se comunicarem com furos de um cárter externo (14) que circunda as pás.

4. Compressor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os orifícios são formados em placas (19) radialmente internas das pás, e são destinados a se comunicarem com furos de um cárter interno (12) circundado pelas pás.

5. Compressor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que os orifícios (64, 66, 68) das placas das pás têm cada um deles uma forma substancialmente circular, triangular, oblonga, retangular ou trapezoidal.

6. Compressor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que os orifícios das placas das pás são recortes (60) da periferia das placas.

7. Compressor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que os furos (62) do cárter têm cada um deles uma forma substancialmente circular, triangular, oblonga, retangular ou trapezoidal.

8. Compressor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que os orifícios (60, 64, 66, 68) das placas das pás desembocam no duto do compressor, no lado dos extradorsos (32) das lâminas (16) dessas pás.

9. Compressor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que os orifícios (60, 64, 66, 68) das placas das pás têm cada um deles um diâmetro ou uma dimensão transversal superior àquele(a) dos furos (62) do cárter.

10. Compressor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que buchas de calibração da vazão de ar retirado são montadas nos furos (62) do cárter ou nos orifícios (60, 64, 66, 68) das placas.

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

12. Pá de passo variável para um compressor como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pelo fato de que compreende uma lâmina (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 pá, a placa compreendendo pelo menos um orifício (60, 64, 66, 68) que se estende substancialmente paralelamente ao eixo de rotação da pá e que desemboca no lado da lâmina, na proximidade do extradorso (32) dessa lâmina.

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