BRPI0923622A2

BRPI0923622A2 - compressor para turbomáquina, e, turbomáquina

Info

Publication number: BRPI0923622A2
Application number: BRPI0923622-8A
Authority: BR
Inventors: Xavier Jean Agneray; Jerôme Jean Bert; Alexandre Franck Chartoire; Armel Touyeras
Original assignee: Snecma
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2020-08-11
Also published as: US8845269B2; US20120003085A1; WO2010072638A1; EP2368045A1; RU2514459C2; RU2011130927A; BRPI0923622B1; JP2012513561A; CA2747989A1; FR2940374B1; JP5686743B2; FR2940374A1; CN102265039B; EP2368045B1; CA2747989C; CN102265039A

Abstract

COMPRESSOR PARA TURBOMÁQUINA, E, TURBOMÁQUINA. Compressor para turbomáquina que compreende uma carcaça (4), pelo menos um estágio de compressor constituído de uma roda de pás fixas (2) e uma roda de pás móveis (1) posicionado a jusante da referida roda de pás fixas (2), e das cavidades (5) escavadas no referida carcaça em frente ao caminho de passagem das pás móveis (1), as referidas cavidades tendo um comprimento L2 medido axialmente e sendo deslocado a montante em relação as pás móveis (1) de forma a gerar um recobrimento que tem um comprimento L1, caracterizado pelo fato de que os comprimentos L1 e L2 são compreendidos respectivamente entre 35 e 50% e entre 80 e 90% da corda axial Cax medida na extremidade externa das pás móveis (1) e que as cavidades (5) não se comunicam entre si.

Description

"COMPRESSOR PARA TURBOMÁQUINA, E, TURBOMÁQUINA"

O domínio da presente invenção é o da propulsão e mais particularmente o dos compressores axiais ou axial-centrífügos para conjunto propulsor (turborreator ou turbopropulsor, denominado turbomáquinas na 5 sequência da descrição) e mais especificamente aos compressores de alta pressão fortemente carregados.

As turbomáquinas aeronáuticas são principalmente constituidas por um ou vários compressores, nos quais o ar aspirado na entrada de ar é comprimido, por. uma câmara de combustão na qual o lO combustível injetado é queimado, e depois por uma turbina na qual os gases queimados são distendidos para iniciar o ou os compressores e por fim por urn dispositivo de ejeção.

Os compressores aeronáuticos são constituídos de aletas, ou pás, que são dirigidas em rotação dentro de uma carcaça que assegura a estanqueidade da passagem de fluxo de ar com o exterior do motor.

É sabido que o jogo existente entre as extremidades das pás móveis do compressor e a carcaça que forma a parede intema da passagem de fluxo de escoamento do ar degrada o rendimento do motor turbomáquina.

Além disso, este jogo pode notavelmente modificar e degradar o fúncionamento do compressor até o aparecimento de um fenômeno de "bombeamento", que resulta da retirada do fluxo de ar da superficie das pás.

O controle da circulação do ar na extremidade das pás constitui assim um desafío priinordial para obter ao mesmo tempo um bom rendimento aerodinâmico do compressor e uma margem suficiente contra o fenômeno de bombeamento.

Uma abordagem desenvolvida para lirnitar o impacto deste escoamento parasita entre a extrernidade da pá e a carcaça consiste em criar cavidades dispostas na parede da carcaça no nível do caminho de passagem das pás.

Estas cavidades são colocadas diante da pá ou deslocadas axialmente, em direção às partes superiores do motor, com o objetivo de reinjetar o ar circulante no jogo entre a pá e a carcaça, na passagem de fluxo direto ou ascendente da pá em questão. Propôs-se várias formas para estas cavidades, como as descrita na patente americana US 5.137.419 que reivindicam um valor Ótimo para a relação entre a largura da parte sólida da carcaça entre duas

W cavidades consecutivas e a largura da cavidade. Outras abordagens são " 5 apresentadas na invenção US 6.935.833 mas são de formas complexas e apresentam o inconveniente de incorporar peças específicas, com realização dificil, e consequentemente imprópria para uma aplicação industrial do conceito. Parece no entanto que podem ainda ser trazidas outras melhorias quanto às disposições e às formas possíveis para estas cavidades.

10 O documento US 5762470 descreve uma carcaça com uma cavidade anular, colocada em comunicação com a passagem de fluxo através de uma sucessão de cortes, precisando-se a geometria ótima para a cavidade e para os cortes; não precisando qual é a posição relativa para as cavidades em relação à pá. Descreve-se, além disso, uma cavidade anular 3, em retração da 15 passagem de fluxo e obturada por uma grelha sulcada 3B, cujo objeto é permitir uma dissipação das perdas na direção circunferencial. Esta configuração apresenta o inconveniente de um risco de reinjeção parasítica no nível da pá, por uma ranhura 5 adjacente à ranhura considerada, que prejudica os desempenhos.

20 Por nm os documentos DE 210330084 e WO 03/072949 descrevem uma cavidade anular que comporta uma sucessão de pás fixas que se estendem na direção da passagem de fluxo.

A presente invenção teín por objetivo remediar estes inconvenientes propondo uma carcaça de compressor munido de cavidades, 25 com desempenhos aerodinâmicos melhorados. Para isso, a invenção tem por objeto um compressor para turbomáquina que compreende uma carcaça, pelo menos um estágio de compressor constituído de uma roda de pás fixas e uma roda de pás móveis posicionada a jusante da referida roda de pás fixas, e das cavidades escavadas no referida carcaça em hente ao caminho de passagem das pás móveis, as referidas cavidades tendo um comprimento L2 medida axialmente e estando deslocada a montante em relação às pás móveis de forma a gerar um recobrimento que tem um comprimento L, caracterizado pelo fato de que os 5 comprimentos Ll e L2 são compreendidos respectivamente entre 35 e 5Ó°/o e entre 80 e 90°4 da corda axial C,., medida na extremidade extema das pás móveis e pelo fato de que as cavidades não se comunicam entre si. Esta configuração assegura ao mesmo tempo boa aspiração do ar na cavidade e reinjeção mais a montante possível do jogo de pás móveis. Além disso o fato das cavidades não se comunicarem entre si elimina qualquer recirculação circunferencial, e consequentemente o risco de uma reinjeção parasítica no nível da pá que proviria da cavidade adjacente, o que prejudicaria os desempenhos do compressor. A reinjeção se faz exclusivamente o mais a montante possível do jogo de pás.

De maneira preferencial a extremidade a montante das cavidades faz, no plano de simetria da cavidade, um ângulo 0 para reinjeção do ar, igual a 90 mais ou menos 5° com a parte da carcaça situada a montante da referida cavidade. Isso permite evitar as recirculações intemas na cavidade que seriam desfavoráveis ao rendimento do compressor. De acordo com características preferenciais: - o número de cavidades sobre a circunferência da carcaça, em relação ao número de pás mÓveis da roda correspondente, é compreendido entre2e4. - as cavidades são escavadas na carcaça com um inclinação, em relação ao plano tangente à passagem de fluxo, compreendida entre 45 e 60° no sentido de rotação das pás. - as cavidades são repartidas de modo regular sobre a circunferência da carcaça. - as cavidades são repartidas de maneira não regular sobre a circunferência da carcaça, em particular as extremidades de cada uma das duas semi-cascas que compõem a carcaça.

- a carcaça compreende uma retração local da passagem de fluxo diante da roda de pás móveis.

5 - a extremidade a montante da referida retração da passagem de fluxo se situa no nível da extremidade a montante da cavidade. - a extrem-idade a jusante da referida retração da passagem de " fluxo se situa no nível ou ligeiramente a jusante da borda de fúga das pás móveis. lO - as cavidades são realizadas quer diretamente na carcaça, quer uma em peça trazida, fixada ao mencionada careaça. A invenção se refere igualmente a uma turbomáquina que compreende um compressor que apresenta pelo menos uma das características descritas acima.

A invenção será melhor compreendida, e outros objetivos, detalhes, características e vantagens desta aparecerão mais claramente durante a descrição explicativa detalhada que seguirá, dos vários modos de realização da mvenção dados a título de exemplos meramente ilustrativos e não limitativos, em referência aos desenhos esquemáticos anexados. Sobre estes desenhos: - a figura 1 é uma vista esquemática em corte longitudinal de um estágio de compressor cuja carcaça apresenta uma cavidade de acordo com um modo de realização da invenção; - a figura 2 é uma vista desde o eixo do motor das cavidades de uma carcaça de compressor; - a figura 3 é uma vista em corte transversal de uma cavidade de uma carcaça de compressor de acordo com uin modo de realização da invenção; - a figura 4 é uma vista em corte, de acordo com seu plano de simetria, de uma cavidade de uma carcaça de compressor de acordo com um modo de realização da invenção;

- a figura 5 é uma vista esquemática em corte longitudinal de um estágio de compressor cuja carcaça apresenta uma retração local da

5 passagem de fluxo e no qual é realizada uma cavidade de acordo com um modo de realização da invenção.

Referindo-se à figura 1, vê-se um estágio de compressor que comporta uma pá de estator, ou pá fixa 2, posicionada a montante de uma pá de rotor, ou pá móvel 1, unida a uin disco 3, ou diretamente solidária deste disco de acordo com uma tecnologia dita de disco laminado monobloco.

As pás fixas são mantidas em posição por fixação sobre uma carcaça de compressor 4, que contoma as pás móveis 1 deixando um jogo predeftnido com elas.

As pás móveis têm no nível da carcaça 4 um comprimento de eorda

C,,, medido axiahnente entre o ponto mais extemo da borda de ataque e o ponto mais extemo da borda de füga.

A carcaça 4 é escavado com múltiplas cavidades 5 regularmente dispostas sobre sua circunferência, em ralação ao caminho de passagem das pás móveis 1. Estas cavidades têm, grosseiramente, em corte, a forma de um retângulo com cantos arredondados, que se estendem sobre um comprimento L2. Esta cavidade 5 é deslocada para montante do motor, em relação à borda de ataque da pá móvel 1. O comprimento do reeobrimento da pá 1 pela cavidade 5 tem um valor Ll, inferior a L2. Esta configuração pennite a reciclagem do ar que passa no jogo entre pá e carcaça; este jogo pode, com efeito, ser o lugar de violentas turbulências que podem deteriorar a configuração do escoamento entre os diferentes patamares e consequentemente provocar uma degradação dos desempenhos do compressor ou, no extremo, provocar um fenômeno dito de "bombeamento" ou "retirada"

constituído por uma queda instantânea da taxa de compressão e uma inversão da vazão de ar que atravessa o compressor que sai então pela parte superior do compressor.

Pela implantação destas cavidades, o ar parasítico é aspirado e reinjetado na passagem de fluxo ascendente da pá.

O comprimento L2 - Ll, que ultrapassa a cavidade em relação à borda de ataque das pás, é, no entanto, limitado pelo espaço existente entre a roda de pás móveis 1 e a roda de pás 5 fixas 2. Referindo-se agora à figura ?, vê-se uma série de cavidades 5 alinhadas ao longo da circunferência da carcaça 4. O eixo destas cavidades é ligeiramente inclinado em relação à direção longitudinal do motor.

O número de cavidades é muito superior ao número de pás 1 que constituem a roda móvel do patamar de compressor.

Este número está na prática compreendido entre 2 e 4 vezes o número de pás móveis l.

A distribuição das cavidades, tal como mostrada na figura 2 é uma disposição unifonne; em uma versão não representada ela pode ser tomada irregular para quebrar a excitação aerodinâmica sobre as lâminas que poderiam ser provocadas por estas cavidades, notadamente as extremidades de cada uma das duas semi-cascas que constituem a carcaça.

Referindo-se às figuras 3 e 4 vê-se a fonna preferencial dada às cavidades 5 realizadas na carcaça 4. Em corte transversal como ilustrado na figura 4, a cavidade 5 apre-senta dois lados paralelos que se conectam em sua extremidade extema por uma meia-circunferêneia.

Ela se mete na carcaça 4 de acordo com uma direção inclinada, no sentido de rotação das pás, em relação a uma perpendicular ao plano tangente à passagem de fluxo.

Busca-se uma inclinação máximo mas ela é limitada em fünção de fabricação da carcaça; na prática o ângulo de inclinação a em relação ao plano tangente à passagem de fluxo se situa entre 45° e 60°. A profúndidade da cavidade 5 é dennida pelas características aerodinâmicas procuradas, levando-se em conta aí ta.mbém conta os limites de fabricação.

Em corte de acordo com seu plano de simetria como ilustrado na figura 3, a cavidade 5 tem a forma grosseira de um retângulo cujo menor lado, a montante, corta a carcaça de acordo com um ângulo cp, medido a partir da curva da carcaça que resulta de seu corte pelo plano de simetria da cavidade e que está situado a montante da cavidade; este ângulo 0 é próximo 5 de 90°. A parte a jusante da cavidade tem uma forma sensivelmente circular. A figura 5 mostra o caso de uma carcaça 4 que apresenta uma retração local da passagem de fluxo 6 no nível das pás móveis 1 chamada correntemente "trench". Tal como representada, esta retração irá se diminuindo deslocando-se para jusante do motor. Este tipo de carcaça é igualmente susceptível de receber cavidades 5 do tipo descrito acima. A retração local da passagem de fluxo 6 começa neste caso no nível ou a jusante da extremidade a montante da cavidade 5 e temina ligeiramente a jusante no nível ou na borda de fúga das pás móveis 1. A invenção se refere a uma otimização das características geométricas das cavidades 5 e seu posicionamento em relação às pás mÓveis

1. Ela pemite uma melhoria muito significativa da operacionalidade do compressor (em termos de rendimento e margem a bombeamento) graças a sua gestão do escoamento no jogo entre conjunto de pás e carcaça e sua reinjeção ascendente da roda de conjunto de pás móveis 1. Esta melhoria é particulannente sensível no contexto de um compressor fortemente carregado, apresentando pás de forma em três dimensões (pás em seta anterior) e distâncias inter-patamares reduzidas a fim de limitar o comprimento total do compressor. A forma jusante da cavidade 5, onde o fluido é aspirado é otimizada para uma melhor orientação do fluido para montante, e sua forma a montante é otimizadas para assegurar reinjeção na passagem de fluxo mais próximo possível da direção radial. Seu comprimento é otimizado para assegurar a remjeção do fluido o mais a montante possível da pá. Estas características ótimas são:

- um comprimento L compreendido entre 35 e 50°4 do comprimento da corda C,, . Esta recobrimento permite limitar a penalidade em rendimento, que diminui muito fortemente quando o recobrimento aumento, conservando ao mesmo tempo uma aspiração correta do fluido.

5 - um comprimento L2 compreendido entre 80 e 90% do comprimento da eorda C,x. Este comprimento, que permanece, no enta.nto, limitado pela obstrução axial, permite assegurar uma aspiração em posição ótima do conjunto de pás e uma reinjeção suficientemente afastada a montante da borda de ataque, o que se traduz em uma perturbação local reduzida. - um ângulo reinjeção 0 igual a 90 mais ou menos 5°. A análise mostrou que com um ângulo superior a este valor a cavidade 5 cria uma zona de obstrução aerodinâmica, o que ocasiona perdas de rendimento, e que com um ângulo sensivelmente inferior a este valor um turbilhão , secundário contra-rotativo aparece na cavidade 5, que degrada a recirculação em seu seio, - uma extremidade a jusante eni arco de círculo cujo raio é sensivelmente igual ao da profúndidade da cavidade. A eficácia da presente invenção provém c.onsequentemente da combinação de um recobrimento axial limitado da pá e de uma reinjeção a montante da pá de acordo com um ângulo otimizado. O conjunto melhora o rendimento do compressor nas condições de fiincionamento estabilizado bem como sob uma forte solicitação aerodinâmica, intermediária entre a linha de hmcionamento nominal e o limite de estabilidade (ou linha de bombeamento) do compressor. Isto acontece pelo fato das perdas locais de rendimento induzidas pela defasagem L serem compensadas pelo ganho trazido pelo controle da recirculação do ar. A associação de cavidades 5 tais como descritas acima e uma retração local da passagem de fluxo 6 melhora ainda os desempenhos em rendimento do compressor.

Outras variantes são possíveis, como por exemplo cavidades associadas a um depósito de material abrasivo para tolerar con.tatos pás/carcaça de intensidade limitada. As cavidades podem ser usinadas diretamente na carcaça ou implantadas via uma tecnologia de revestimento por uma peça trazida específica, fixada à carcaça. Por fim esta tecnologia se aplica a qualquer tipo de compressor, seja axial ou centrífügo, e que se destine a um turborreator ou a um turbopropulsor. Embora a invenção seja descrita em relação a um modo de realização particular, evidentemente que ela não se limitada a ele e que compreende todos os equivalentes técnicos dos meios descritos bem como suas combinações se estas entrarem no quadro da invenção.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Compressor para turbomáquina que compreende uma carcaça (4), pelo menos um estágio de compressor constituído de uma roda de pás fixas (2) e uma roda de pás móveis (1) posicionado a jusante da referida " 5 roda de pás fixas (2), e das cavidades (5) vazadas no referida carcaça em hente ao caminho de passagem das pás móveis (1), as referidas cavidades tendo um comprimento L2 medido axialmente e sendo deslocadas a montante em relação às pás móveis (1) de forina a gerar um recobrimento que tem um comprimento L, caracterizado pelo fato de que os comprimentos Ll e L2 10 ficam compreendidos respectivamente entre 35 e 5Ô°/o e entre 80 e 90°4 da corda axial C,x medida na extremidade extema das pás móveis (1) e em que as cavidades (5) não se comunicam entre si.

2. Compressor de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que a extremidade a montante das cavidades (5) faz, no plano de 15 simetria da cavidade (5), um ângulo 0 para injeção do ar, igual a 90 mais ou menos 5° com a parte da carcaça (4) situada a montante da referida cavidade.

3. Compressor de acordo com unia das reivindicações 1 ou 2 caracterizado pelo fato de que a extremidade a jusante das cavidades (5) tem um perfil em arco de círculo, cujo raio é sensivelmente igual à profúndidade 20 da referida cavidade.

4. Compressor de acordo com uma das reivindicações 1 a 3 caracterizado pelo fato de que o número de cavidades (5) sobre a circunferência da carcaça (4), em relação ao número de pás móveis (1) da roda correspondente, fica compreendido entre 2 e 4. 25

5. Compressor de acordo com uma das reivindicações 1 a 4 caracterizado pelo fato de que as cavidades (5) são vazadas na carcaça (4) com um inclinação, em relação ao plano tangente à passagem de fluxo, compreendida entre 45 e 60° no sentido de rotação das pás.

6. Compressor de acordo com uma das reivindicações I a 5 caracterizado pelo fato de que as cavidades (5) são repartidas de maneira regular sobre a circunferência da carcaça (4).

7. Compressor de acordo com uma das reivindicações 1 a 5 caracterizado pelo fato de que as cavidades (5) são repartidas de maneira não 5 regular sobre a circunferência da carcaça (4)-

8. Compressor de acordo com uma das reivindicações 1 a 6 caracterizado pelo fato de que a carcaça (4) comporta uina retração local da passagem de fluxo (6) diante da roda de pás móveis (1).

9. Compressor de acordo com a reivindicação 8 caracterizado pelo fato de que uma a referida extremidade a montante da retração da passagem de fluxo (6) situa-se no nível da extremidade a montante da cavidade (5).

10. Compressor de acordo com uma das reivindicações 8 ou 9 caracterizado pelo fato de que a extremidade a jusante da retração da passagem de. fluxo (6) situa-se no nível ou ligeiramente a jusante da borda de füga das pás móveis (1).

11. Compressor de acordo com uma das reivindicações 1 a 10 caracterizado pelo fato de que as cavidades (5) são praticadas diretamente na carcaça (4)-

12. Compressor de acordo com uma das reivindicações l a 10 caracterizado pelo fato de que as cavidades (5) são realizadas em uma peça unida, fixada à mencionada carcaça (4)

13. Turbomáquina caracterizada pelo fato de que comporta um compressor de acordo com uma das reivindicações precedentes.

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