BRPI1013190B1

BRPI1013190B1 - Pa de turbina resfriada para turbomaquina, modulo de turbina, e, turbomaquina

Info

Publication number: BRPI1013190B1
Application number: BRPI1013190-6A
Authority: BR
Inventors: Serge Louis Antunes; Jacques Auguste Amedee Boury; Patrice Jean-Marc Rosset
Original assignee: Snecma
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2020-06-23
Also published as: CA2757288C; RU2550230C2; CA2757288A1; FR2943092A1; EP2406463A1; CN102348867B; FR2943091B1; BRPI1013190A2; RU2011141459A; FR2943091A1; JP5438780B2; CN102348867A; US8864444B2; WO2010103113A1; JP2012520413A; EP2406463B1; FR2943092B1; US20120014810A1

Abstract

PÁ DE TURBINA RESFRIADA PARA TURBOMÁQUINA, MÓDULO DE TURBINA, E, TURBOMÁQUINA Pá de turbina resfriada para turbomáquina compreendendo uma palheta (2) montada sobre uma plataforma (6) portada por uma base (5), a referida palheta sendo escavada com uma ou várias cavidades para a circulação de ar de resfriamento, a cavidade (11) se estendendo ao longo da borda de fuga sendo alimentada em ar de resfriamento por um conduto de alimentação (10) ligando uma entrada de ar (12) situada em parte baixa da base (5) à cavidade (11) de borda de fuga fazendo um cotovelo (13) no seio da referida base, caracterizada pelo fato de que o conduto (10) comporta, sobre um eixo sensivelmente radial em relação à entrada de ar (12), um nicho (14) situado sob a plataforma (6) tendo uma forma de sino, o referido nicho desembocando em seu vértice por um orifício de remoção de poeira (19) atravessando a referida plataforma e sendo delimitado no interior da base (5) por paredes que se estendem sensivelmente radialmente a partir da plataforma (6) a fim de fechar a mesma lateralmente.

Description

O domínio da presente invenção é o das turbomáquinas e em particular o das pás de turbina resfriadas para estas turbomáquinas.

Turbomáquinas modernas são realizados classicamente sob a forma de um conjunto de módulos. Eles compreendem em primeiro lugar um ou vários módulos de compressor dispostos em série, que comprimem o ar aspirado em uma entrada de ar. O ar é depois introduzido em uma câmara de combustão onde é misturado a um combustível e queimado. Os gases de combustão passam através de um ou vários módulos de turbina que acionam o ou os compressores. Os gases por último são ejetados quer em uma tubulação para produzir uma força de propulsão quer sobre uma turbina livre para produzir a potência que é recuperada sobre uma árvore de transmissão.

Estas turbomáquinas modernas, devido às temperaturas elevadas dos gases em saída da câmara de combustão, são resfriadas, ou seja, que um circuito de ventilação pelo ar fresco é disposto para resfriar o metal das pás de turbina quando a turbomáquina está em funcionamento. O ar de ventilação é tomado em saída de um dos estágios de compressor e conduzido sobre a turbina. O ar penetra geralmente pela base das pás, atravessa estas pelas cavidades escavadas na espessura da palheta e é rejeitado por perfurações praticadas na parede ou sobre a cabeça das pás. As cavidades são dispostas longitudinalmente no interior das pás, estendendo-se entre a base e a cabeça da pá, para fazer passar este ar e resfriar o metal. Geralmente várias cavidades são posicionadas umas ao lado das outras, ao longo da corda da pá, de forma a equilibrar as vazões e resfriar o metal de modo homogêneo.

Ao mesmo tempo em que o ar necessário para o funcionamento do motor, poeiras diversas (em particular, areia fina) podem ser aspiradas na luva de entrada. Se a maior parte das poeiras atravessa o motor sem dano, ocorre que algumas entre elas chegam até os circuitos de resfriamento das pás de turbina; o seu acúmulo no interior destes circuitos risca tampar os orifícios de evacuação em saída das cavidades e assim colocar em perigo a integridade da pá. Para impedir este fenômeno, as pás de turbina são equipadas, além de perfurações e de aberturas de ventilação de resfriamento, com orifícios de remoção de poeira calibrados, situadas em vértice das cavidades, cujo papel é garantir a evacuação das poeiras.

Orifícios de remoção de poeira são colocados para cada uma das cavidades. A calibragem do orifício é ditada por critérios de tamanho de poeira e é, portanto, independente do tamanho global das pás. A implantação de um orifício de remoção de poeira no caso de uma pá pequena revela-se particularmente difícil e pode tornar-se um critério determinante no dimensionamento do circuito porque ele corre o risco de condicionar o desempenho térmico do circuito de resfriamento.

O problema a resolver é particularmente agudo no caso de uma pá de turbina de alta pressão (HP) cujo tamanho é muito pequeno e cuja cavidade que resfria a borda de fuga tem uma espessura muito fina. Implantar o orifício de remoção de poeira da cavidade da borda de fuga sobre uma pá com um baixo cabo pode levar a aumentar anormalmente o tamanho desta cavidade, em detrimento dos outros. A cavidade da borda de fuga pode neste caso representar 25% do cabo total enquanto que é habitualmente apenas de 15 a 20% para as pás maiores. Isso significa que para as pás pequenas que comportam este tipo de orifício de remoção de poeira, o resfriamento pela cavidade da borda de fuga necessitará mais de ar frio, em detrimento de resfriamento pelas outras cavidades.

Importa, portanto, poder diminuir a secção da cavidade de borda de fuga a fim de reduzir a sua vazão de resfriamento e assim poder manter uma situação térmica global satisfatória. O problema a resolver para atingir este objetivo é encontrar um meio de evacuar as poeiras da cavidade da borda de fuga, sem implantar um orifício de remoção de poeira no vértice da pá.

A presente invenção tem por objetivo remediar estes inconvenientes propondo uma pá de turbina que não apresenta alguns dos inconvenientes da técnica anterior e, em particular, que não apresenta orifício de remoção de poeira para a cavidade de borda de fuga que seja situado em vértice de pá. Ela tem igualmente por objetivo otimizar a utilização do ar de remoção de poeira, fazendo o mesmo participar de resfriamento da pá.

Para esse efeito, a invenção tem por objeto uma pá de turbina resfriada para turbomáquina compreendendo uma palheta montada sobre uma plataforma portada por uma base, a referida palheta sendo escavada com uma ou várias cavidades para a circulação de ar de resfriamento, a cavidade se estendendo ao longo da borda de fuga sendo alimentada em ar de resfriamento por um conduto de alimentação ligando uma entrada de ar situada em parte baixa da base à cavidade de borda de fuga fazendo um cotovelo no seio da referida base, caracterizada pelo fato de que o conduto comporta, sobre um eixo sensivelmente radial em relação à entrada de ar, um nicho situado sob a plataforma tendo uma forma em sino, o referido nicho se abrindo em seu vértice por um orifício de remoção de poeira atravessando a referida plataforma e sendo delimitado no interior da base por paredes que se estendem sensivelmente radialmente a partir da plataforma para fechar a mesma lateralmente.

A forma em sino e o posicionamento do nicho em face da entrada de ar serve de abrigo às partículas que poderiam chegar com o ar de resfriamento e que penetrariam no circuito de resfriamento da borda de fuga da pá. Ela é evacuada em seguida através da perfuração, que é calibrada em função do tamanho previsível destas partículas.

Em um modo particular de realização a pá de turbina comporta além disso pelo menos uma perfuração de ventilação da plataforma alimentada pelo ar de resfriamento proveniente do conduto de alimentação e o orifício de remoção de poeira é confundido com a referida perfuração de ventilação da plataforma.

Reduz-se assim o número de operações para a realização da pá.

Preferivelmente pelo menos uma das paredes do referido nicho que se estende radialmente a partir da plataforma está situada no prolongamento de uma das paredes do conduto.

De modo ainda mais preferencial, o referido nicho é formado pelas paredes do conduto e por uma aresta posicionada transversalmente do sentido de escoamento do ar de resfriamento no referido conduto.

Esta forma é particularmente adaptada a uma realização por fundição da pá.

Em uma variante de realização da invenção o orifício de remoção de poeira prolonga-se por um recesso praticado na face externa da plataforma, tendo, em vista de cima, uma forma sensivelmente triangular.

Esta disposição permite fazer participar o ar passando pelo orifício de remoção de poeira de resfriamento da conexão da plataforma com a palheta.

De modo preferencial o recesso estende-se desde um vértice colocado sobre o orifício de remoção de poeira e se abre em direção da conexão da plataforma à palheta.

Em um modo particular de realização desta variante o lado do triângulo oposto ao orifício de remoção de poeira tem um comprimento variando entre 1,5 e 3 vezes o diâmetro do orifício de remoção de poeira.

Com vantagem, os dois lados que se estendem a partir do orifício de remoção de poeira têm um comprimento compreendido entre 6 e 15 vezes o diâmetro do orifício. fuga da pá.

De modo preferencial o eixo mediano do recesso segue uma direção sensivelmente paralela à borda da plataforma que está situada do lado da borda de fuga da pá.

De modo ainda mais preferencial o recesso afasta-se no máximo de 5o da direção da borda da plataforma.

Em um modo particular de realização o recesso tem, em sua parte mediana, sensivelmente a forma de um plano inclinado que se insere na espessura H da plataforma em direção do orifício de remoção de poeira sobre uma profundidade h, compreendida entre 50 e 80% do valor H.

De modo preferencial o referido plano inclinado apresenta um ângulo de inclinação em relação ao plano da plataforma compreendido entre 3 a 10°.

A invenção refere-se igualmente a um módulo de turbina de uma turbomáquina compreendendo pelo menos uma pá tal como foi definida acima ou turbomáquina compreendendo tal módulo de turbina.

A invenção será compreendida melhor, e outros objetivos, detalhes, características e vantagens da mesma aparecerão mais claramente durante a descrição explicativa detalhada seguinte, de um modo de realização da invenção dado a título de exemplo meramente ilustrativo e não limitativo, em referência aos desenhos esquemáticos anexos. Sobre estes desenhos:

- a figura 1 é uma vista em perspectiva de uma pá de turbina HP;
- a figura 2 é uma vista em perspectiva de uma pá de turbina HP mostrando um orifício de remoção de poeira da cavidade da borda de fuga posicionado de acordo com a técnica anterior;
- a figura 3 é uma vista em perspectiva de uma pá de turbina HP, de acordo com a técnica anterior, com um corte realizado no nível da cavidade da borda de fuga;
- a figura 4 é uma vista em perspectiva de uma pá de turbina HP, mostrando um orifício de remoção de poeira de acordo com um modo de realização da invenção, com um corte realizado no nível da cavidade da borda de fuga;
- a figura 5 é uma vista em corte da cavidade de borda de fuga de uma pá de turbina HP mostrando um orifício de remoção de poeira de acordo com o mesmo modo de realização da invenção.
- a figura 6 é uma vista de cima de uma plataforma de uma pá de turbina mostrando uma variante de um orifício de remoção de poeira de acordo com a invenção;
- a figura 7 é uma vista em corte de uma plataforma de uma pá de turbina mostrando a forma do orifício de saída da mesma variante de um orifício de remoção de poeira de acordo com a invenção.

Referindo-se à figura 1, nota-se uma pá de turbina HP 1 comportando uma palheta 2 que se estende entre uma borda de ataque 3 e uma borda de fuga 4, montada sobre uma plataforma 6 portada por uma base de pá 5; a plataforma 6 é conectada a palheta 2 por um raio de conexão 17 de forma arredondada. A pá 1 comporta no nível da sua borda de fuga 4 aberturas de ventilação 7 destinadas a evacuar o ar de resfriamento que circula na cavidade de borda de fuga. Referindo-se à figura 2, nota-se a posição, na técnica anterior, de uma perfuração 8 que serve de orifício de remoção de poeira à cavidade de borda de fuga; o orifício 8 é posicionado sobre a cabeça da pá no nível desta cavidade. A pá 1 comporta igualmente perfurações 9 sobre a sua plataforma 6, do lado do extradorso da palheta 2, pelas quais passa do ar proveniente da base da pá 5 e que têm por função resfriar a pá 1 no nível da sua conexão 17 entre a palheta 2 e a plataforma 6. As perfurações 9 que são representadas sobre a figura 2 são posicionadas no nível da borda de fuga 4 e alimentadas por uma retirada de ar efetuada sobre o conduto de alimentação em ar fresco da cavidade da borda de fuga.

As figuras 3 e 4 mostram cada uma um corte de uma pá 1 de turbina no nível do conduto 10 de alimentação em ar de resfriamento da sua cavidade 11 de borda de fuga. Na figura 3, representativa da técnica anterior, o conduto 10 circula desde a entrada de ar 12 situada na base 5 da pá até a sua entrada na cavidade 11 conservando uma secção de passagem que é sensivelmente constante, ou bem em lenta diminuição para levar em conta as vazões de resfriamento que são retiradas. Ele apresenta de maneira clássica uma forma com um cotovelo 13, pelo fato que ele liga a entrada de ar 12 que está situada no plano de simetria da base 5, à cavidade 11 da borda de fuga que, ela, é deslocada em relação a este plano devido ao perfil curvilíneo da pá 1.

Na figura 4, de acordo com a invenção, o conduto 10 se abre do lado extradorso da pá 1 para formar um nicho 14 posicionado sob a plataforma 6, que é alimentada pelo conduto 10 e se abre no duto por uma perfuração 19 formando orifício de remoção de poeira. Este nicho 14 está situado sensivelmente no eixo da entrada de ar 12 e se apresenta sob a forma de cavidade em sino da qual o teto é formado pela parede inferior da plataforma 6, que é centrada no orifício de remoção de poeira 19 e que apresenta paredes laterais dispostas de um lado e outro do orifício de remoção de poeira 19 para fechar a mesma lateralmente. O diâmetro do orifício de remoção de poeira 19 é calibrado para deixar passar as poeiras susceptíveis de chegar até lá.

O nicho 14 é realizado essencialmente por um desvio das paredes do conduto 10 de resfriamento, que se afastam mais que na técnica anterior do extradorso da palheta 2 para formar um espaço sob a plataforma 6, e por uma aresta 16, posicionada transversalmente do sentido de circulação do ar, para fechar novamente lateralmente este espaço. Tal configuração é, com efeito, relativamente fácil de produzir por fundição quando da fabricação da pá.

A figura 5 mostra em corte a circulação do ar no conduto 10 e a via que seguem das partículas de poeiras 15 que penetrariam no circuito de resfriamento da borda de fuga 4 da pá 1.

Constata-se nas figuras 3 e 4 que devido à criação do nicho 14 sob a plataforma 6 e o seu necessário alinhamento com o orifício de entrada de ar 12, o orifício de remoção de poeira 19 (fig. 4) encontra-se situado em uma distância maior do raio de conexão 17 que estavam as perfurações de resfriamento 9 da técnica anterior (fig. 3). Estas se abriam no ponto de conexão deste raio 17 com a plataforma 6 enquanto que o orifício de remoção de poeira 19 é afastado um pouco. Ele poderia, portanto, resultar, no caso de uma substituição das perfurações 9 pelo orifício de remoção de poeira 19, em um pior resfriamento desta zona de conexão.

Para remediar este fato e só conservar apenas uma única perfuração para o resfriamento da conexão 17, a figura 6 mostra uma variante para a parte baixa de uma pá 1, com a plataforma 6 na qual se abre o orifício de remoção de poeira 19. Este se prolonga por um recesso 20, praticado na espessura da plataforma, do lado externo da mesma (ou seja, do lado mais afastado do eixo de rotação do motor), que tem, com vista de cima, uma forma sensivelmente triangular. O triângulo correspondente estende-se desde um vértice colocado sobre o orifício de remoção de poeira 19 e se abre em direção da conexão 17 da plataforma 6 até a palheta 2. Em um modo preferencial de realização o lado oposto ao orifício de remoção de poeira 19 tem um comprimento variando entre 1,5 e 3 vezes o diâmetro do orifício de remoção de poeira 19, enquanto que os dois outros lados têm um comprimento compreendido entre 6 e 15 vezes este mesmo diâmetro.

A figura 7 mostra uma vista em corte do recesso 20 seguindo uma direção A-A, como ilustrado na figura 6, sensivelmente paralela à borda da plataforma que está situada do lado da borda de fuga da pá. O orifício de remoção de poeira 19 atravessa, como indicado previamente, a plataforma 6 sobre toda a sua espessura H e o recesso 20 têm, na sua parte mediana, a forma de um plano inclinado que se insere esta espessura H. Ele junta o orifício de remoção de poeira 19 a uma profundidade h, compreendida entre 50 e 80% do valor H e apresenta um ângulo de inclinação em relação ao plano da plataforma que pode variar de 3 a 10°. O recesso 20 têm, no sentido transversal ao corte A-A, uma forma de U ou de V que o conecta ao plano da plataforma 6 ao longo dos dois grandes lados do triângulo.

O eixo mediano do triângulo constituindo o recesso 20 está situado no sentido das linhas de corrente do duto de gases e, para isto, pode se afastar mais ou menos 5o da direção da borda da plataforma que está situada do lado da borda de fuga da pá. acordo com a invenção.

Será agora descrito o resfriamento da borda de fuga 4 de uma pá 1 de acordo com a invenção.

O ar de resfriamento chega ao nível da base 5 da pá 1 e penetra pelo conduto de chegada 12 no circuito de alimentação da cavidade 11 para o resfriamento da borda de fuga 4. A este ar são misturadas partículas de poeira 15 que convém eliminar para evitar que elas obstruam os orifícios de resfriamento e venham perturbar o resfriamento de certas partes da pá.

O ar penetra por pressão no interior da pá 1 e carrega com ele as partículas 15. Estas, devido à rotação das pás e a força centrífuga assim gerada, deslocam-se radialmente no conduto de resfriamento 10 e dirigem-se em direção do nicho 14, colocado neste objetivo oposto da entrada de ar 12. Diferente da técnica anterior, elas não se enterram no cotovelo 13 do conduto 10 e continuam temporariamente debaixo da plataforma 6, abrigadas pelas paredes laterais do nicho 14. Elas se acumulam debaixo do teto deste nicho e se encontram assim colocadas em face da perfuração 19, que serve de orifício de remoção de poeira. As partículas 15 então são acionadas pelo fluxo de ar que passa através do orifício de remoção de poeira 19 e são ejetadas no duto de gases do motor.

A remoção de poeira sendo efetuada no nível da perfuração 19, não se tem mais a necessidade de perfurar orifício em cabeça da cavidade 11 da pá 1 para efetuar esta função; evita-se assim uma operação de perfuração que era, como indicado previamente, muito difícil de realizar na técnica anterior.

Na variante representada nas figuras 6 e 7, o ar de resfriamento que atravessa o orifício de remoção de poeira 19 é desviado em saída, no nível da plataforma 6, pelo recesso 20 e toma uma direção sensivelmente paralela a esta plataforma. Ele é ainda mais colocado contra a superfície da plataforma pelos gases circulando no duto do motor que o acionam em direção ao raio de conexão 17. O ar que passa pelo orifício de remoção de poeira 19 e que, consequentemente, é desviado do circuito de resfriamento da pá para assegurar esta função de remoção de poeira, continua a ser assim utilizado para resfriar esta pá, a nível, desta vez, da sua base.

O diâmetro do orifício de remoção de poeira 19 sendo superior ao das perfurações 9 da técnica anterior dado que é calibrado para deixar passar partículas de poeira, a vazão de ar que o atravessa é superior à de resfriamento que atravessaria as perfurações 9. Do fato, por um lado desta vazão de ar maior, por outro lado, da forma em triângulo do recesso 20 o ar que sai do orifício de remoção de poeira 19 varre certo comprimento do raio de conexão 17. A sua eficácia térmica é então semelhante à das três perfurações 9 da plataforma que se encontra na técnica anterior e é possível suprimir estes orifícios. A melhora obtida por esta variante é então de dois tipos dado que se evita uma operação de perfuração dos três orifícios e que se possa globalmente reduzir a vazão de ar de resfriamento que passa pela cavidade de borda de fuga. O ar remoção de poeira assegura, com efeito, ao mesmo tempo as funções asseguradas previamente pelo orifício de remoção de poeira 8 e as asseguradas pelas perfurações de resfriamento 9 da conexão palheta-plataforma 17.

Embora a invenção tenha sido descrita em relação a dois modos de realização particulares, é bem evidente que de modo algum ela é limitada e que ela compreende todos os equivalentes técnicos dos meios descritos bem como as suas combinações se estas entram no quadro da invenção.

Claims

Pá de turbina resfriada para turbomáquina compreendendo uma palheta (2) montada sobre uma plataforma (6) portada por uma base (5), a referida palheta sendo escavada com uma ou várias cavidades para a circulação de ar de resfriamento, a cavidade (11) estendendo-se ao longo da borda de fuga (4) sendo alimentada com ar de resfriamento por um conduto de alimentação (10) ligando uma entrada de ar (12) situada em parte baixa da base (5) à cavidade (11) de borda de fuga fazendo um cotovelo (13) no seio da referida base,caracterizada pelo fato de que o conduto (10) comporta, sobre um eixo substancialmente radial em relação à entrada de ar (12), um nicho (14) situado sob a plataforma (6) tendo uma forma em sino, o referido nicho desembocando em seu vértice por um orifício de remoção de poeira (19) atravessando a referida plataforma e sendo delimitado no interior da base (5) por paredes que se estendem substancialmente radialmente a partir da plataforma (6) para fechar a mesma lateralmente.
Pá de turbina de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de comportar adicionalmente pelo menos uma perfuração de ventilação (9) da plataforma (6) alimentada pelo ar de resfriamento proveniente do conduto de alimentação (10) na qual o orifício de remoção de poeira (19) é confundido com a referida perfuração (9) de ventilação da plataforma (6).
Pá de turbina de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizada pelo fato de que pelo menos uma das paredes do referido nicho (14) estendendo-se radialmente a partir da plataforma (6) é situada no prolongamento de uma das paredes do conduto (10).
Pá de turbina de acordo com a reivindicação 3,caracterizada pelo fato de que o referido nicho (14) é formado pelas paredes do conduto (10) e por uma aresta (16) posicionada transversalmente do sentido de escoamento do ar de resfriamento no referido conduto.
Pá de turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4,caracterizada pelo fato de que o orifício de remoção de poeira (19) se prolonga por um recesso (20) praticado na face externa da plataforma (6), tendo, vista de cima, uma forma substancialmente triangular.
Pá de turbina de acordo com a reivindicação 5,caracterizada pelo fato de que o recesso (20) se estende a partir de um vértice colocado sobre o orifício de remoção de poeira (19) e se abre em direção da conexão (17) da plataforma (6) à
Pá de turbina de acordo com a reivindicação 6,caracterizada pelo fato de que o lado do triângulo oposto ao orifício de remoção de poeira (19) tem um comprimento variando entre 1,5 e 3 vezes o diâmetro do orifício de remoção de
Pá de turbina de acordo com a reivindicação 6 ou 7,caracterizada pelo fato de que os dois lados se estendendo a partir do orifício de remoção de poeira (19) têm um comprimento compreendido entre 6 e 15 vezes o diâmetro do referido palheta (2). poeira (19). orifício.
Pá de turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 8,caracterizada pelo fato de que o eixo mediano do recesso (20) segue uma direção substancialmente paralela à borda da plataforma (6) que está situada do lado da
Pá de turbina de acordo com a reivindicação 9,caracterizada pelo fato de que o eixo mediano do recesso (20) se afasta no máximo 5o da direção da borda de fuga (4) da pá (1). borda da plataforma (6).
Pá de turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 10,caracterizada pelo fato de que o recesso (20) tem, na sua parte mediana, substancialmente a forma de um plano inclinado que se coloca na espessura H da plataforma (6) em direção do orifício de remoção de poeira sobre uma profundidade h, compreendida entre 50 e 80% do valor H.
Pá de turbina de acordo com a reivindicação 11,caracterizada pelo fato de que o referido plano inclinado apresenta um ângulo de inclinação em relação ao plano da plataforma compreendido entre 3 a 10°.
Módulo de turbina de uma turbomáquina,caracterizado pelo fato de compreender pelo menos uma pá (1) do tipo definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12.
Turbomáquina,caracterizada pelo fato de compreender um módulo de turbina do tipo definido na reivindicação 13.