BR112019012198A2 - montagem para um motor de turbina e motor de turbina - Google Patents
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Abstract
a presente invenção refere-se a um motor de turbina e a uma montagem (44) para um motor de turbina (36), que compreende um circuito de óleo (24), incluindo um trocador de calor ar/óleo (31), um tubo de derivação primário (26) que liga uma entrada do trocador de calor ar/óleo (31) a uma saída do trocador de calor ar/óleo (31) e que envolve o trocador de calor ar/óleo (31), de modo a trocar calor com o trocador de calor ar/óleo (31) e um tubo de derivação secundário (28) do tubo primário (26) que liga a extremidade a montante do tubo de derivação primário (26) à extremidade a jusante do tubo de derivação primário (26), o circuito (24) também compreende pelo menos uma válvula (22) para controlar a passagem do fluxo de óleo para os tubos de derivação primário (26) e secundário (28) e meios (35) para controlar a abertura da pelo menos uma válvula (22) para uma temperatura inferior a uma temperatura limiar, o tubo de derivação secundário (28) possuindo um comprimento pelo menos dez vezes menor que o comprimento do tubo de derivação primário (26).
Description
“MONTAGEM PARA UM MOTOR DE TURBINA E MOTOR DE TURBINA” Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se a um circuito de óleo, bem como a um motor de turbina equipado com tal circuito de óleo.
Antecedentes da Invenção [002] Como todos os motores de combustão interna, os motores de turbina, sejam motores turbo-jato ou turbo-propulsor, incluem peças móveis que se esfregam contra outras peças móveis ou contra peças estacionárias.
[003] Para não quebrar devido ao aquecimento devido ao atrito, as peças são pulverizadas com óleo, o que torna possível limitar (ou conter) o seu aquecimento e, por outro lado, lubrificá-las para facilitar o deslizamento das peças, uma em cima da outra.
[004] O óleo flui em um circuito (10) provido de trocadores de calor, em particular trocadores óleo/ ar (12), como mostrado na Figura 1, tendo uma matriz (14), na forma de um tubo sinuoso moldado de modo a conseguir troca de calor, no qual o óleo das referidas peças é introduzido e depois arrefecido antes de ser novamente injetado nas ditas peças.
[005] Ao ligar um motor de turbina em condições frias (por exemplo, com uma temperatura abaixo de 0 °C), o óleo na matriz (14) do trocador ar/ óleo (12) (ou trocadores, se aplicável) pode ser congelado, dificultando, ou tornando impossível, a troca de calor entre óleo e ar, uma vez que o óleo não pode circular na matriz (14) do trocador (12). É então necessário pré-aquecer a matriz (14) do trocador de calor ar/ óleo (12) previamente.
[006] Para este propósito, é conhecido fornecer o trocador de calor ar/ óleo (12) com um tubo de derivação (16) usado como um canal de descongelação e envolvendo a matriz (14) do trocador de calor ar/ óleo (12) para aquecer o óleo congelado. Este tubo de derivação (16) está ligado na sua
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2/11 extremidade a montante à entrada (18) do trocador de calor (12) e à saída (20) do trocador de calor (12). O circuito de óleo (10) também inclui uma válvula (22) para controlar o fluxo de óleo no tubo de derivação (16) para permitir que o óleo flua através da matriz (14) do trocador (12) apenas quando a temperatura estiver abaixo de um limiar predeterminado. Contudo, uma vez que a seção transversal da passagem de óleo do tubo de derivação (16) é menor do que a seção transversal da passagem de óleo no trocador de calor ar/ óleo, existe sobrepressão no circuito de óleo quando a matriz (14) do trocador de calor (12) é congelada. A sobrepressão induz um risco de danos no circuito de óleo (10).
[007] De modo a reduzir esta sobrepressão, uma solução óbvia é aumentar a seção transversal do fluxo do tubo de derivação (16) de modo a aumentar o caudal sem alterar as condições de pressão de funcionamento das bombas de alimentação. No entanto, por razões de requisitos de espaço, não é possível um aumento na seção transversal de passagem do tubo de derivação (16).
Descrição da Invenção [008] A invenção, mais particularmente, visa fornecer uma solução simples, eficiente e rentável para este problema.
[009] Para este fim, a invenção propõe uma montagem para um motor de turbina compreendendo um circuito de óleo incluindo um trocador de calor ar/ óleo, um tubo de derivação primário que liga uma entrada do trocador de calor ar/ óleo a uma saída do trocador de calor ar/ óleo e que envolve o trocador de calor ar/ óleo, de modo a trocar calor com o trocador de calor ar/ óleo, e um tubo de derivação secundário do tubo primário que liga a extremidade a montante do tubo de derivação primário a jusante do tubo de derivação primário, o circuito compreendendo também pelo menos uma válvula para controlar a passagem do fluxo de óleo através dos tubos de derivação
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3/11 primário e secundário e meios para controlar a abertura da referida pelo menos uma válvula para uma temperatura abaixo de uma temperatura limiar.
[010] De acordo com a invenção, a adição de um tubo de derivação secundário permite que parte do fluido seja contornado do tubo de derivação primário, reduzindo a pressão do fluido no tubo de derivação primário sob condições operacionais frias. A combinação de uma válvula para controlar o fluxo de óleo através dos tubos de derivação primário e secundário e meios para controlar a abertura da válvula para uma temperatura acima de uma temperatura limiar torna possível operar os tubos de derivação primário e secundário apenas sob condições de operação frias, nenhum fluxo de óleo circulando através destes tubos quando a temperatura está acima da temperatura limiar predeterminada.
[011] À medida que a queda de pressão aumenta com a diminuição da temperatura devido ao aumento da viscosidade do óleo, entende-se que a adição de um tubo de derivação secundário é particularmente útil. No entanto, este tubo secundário tem pouco impacto na função de aquecimento do óleo do trocador ar/ óleo através do tubo primário. Por exemplo, uma derivação de 30% do caudal de óleo do tubo de derivação primário para o tubo de derivação secundário permite que o mesmo tempo de descongelação seja mantido com o trocador de calor.
[012] De acordo com outra característica da invenção, a montagem inclui uma única válvula disposta na saída do tubo de derivação primário e a jusante da saída do tubo de derivação secundário. É claro que seria possível ter uma válvula para cada um dos tubos de derivação primário e secundário. No entanto, isso obviamente complica a montagem.
[013] Em uma realização, a única válvula pode estar localizada na entrada do tubo de derivação primário e a montante da entrada do tubo de derivação secundário.
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4/11 [014] A válvula de controle pode ser uma válvula que pode adotar pelo menos duas posições, uma primeira posição aberta permitindo a passagem de óleo e uma segunda posição fechada bloqueando a passagem de óleo. Desta forma, a temperatura limiar é, por exemplo, da ordem de 70 °C.
[015] Em uma realização, a válvula de controle pode ser uma válvula unidirecional de duas vias que pode adotar pelo menos duas posições, uma primeira posição aberta permite que o óleo passe através da válvula e uma segunda posição fechada bloqueia a passagem de óleo através da válvula, e também posições intermediárias.
[016] De acordo com outra característica da invenção, o tubo de derivação secundário pode ser pelo menos dez vezes mais curto que o comprimento do tubo de derivação primário. Além disso, o circuito inclui o tubo de derivação secundário, que pode ter um diâmetro pelo menos três vezes menor que o diâmetro do tubo de derivação primário.
[017] Ter um tubo de derivação secundário mais curto e/ ou um diâmetro menor do que o tubo de derivação primário, de acordo com as razões acima mencionadas, permite uma boa distribuição de fluxo entre o tubo de derivação primário e o tubo de derivação secundário para diminuir a queda de pressão no tubo primário, assegurando a descongelação adequada do trocador de calor.
[018] Além disso, um tubo de derivação secundário mais curto e/ ou um diâmetro menor de acordo com as razões acima evitam a sobrepressão no circuito de óleo quando a matriz do trocador de óleo é congelada sem ter que aumentar a seção transversal do tubo de derivação primário. Isso reduz o tamanho e a massa do tubo de derivação primário.
[019] Um tubo de derivação secundário com um comprimento menor será preferido devido à redução de massa induzida. Além disso, é muito vantajoso quando a entrada e a saída estão dispostas próximas umas das
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5/11 outras. O diâmetro do tubo de derivação secundário é assim ajustado de acordo com o comprimento do tubo para assegurar uma boa distribuição do fluxo de óleo nos tubos de derivação primário e secundário.
[020] A invenção também se refere a um motor de turbina com um circuito de óleo como descrito acima, no qual o trocador de calor óleo/ ar delimita radialmente uma superfície de fluxo de um fluxo de ar secundário radialmente para fora.
Breve Descrição dos Desenhos [021] A invenção será melhor compreendida, e outros detalhes, características e vantagens da invenção aparecerão após a leitura da seguinte descrição, dada por meio de um exemplo não restritivo, ao se referir aos desenhos anexos, em que:
- A Figura 1 é uma representação esquemática de um circuito de óleo usando o estado da técnica já descrita acima;
- A Figura 2 é uma representação esquemática de um circuito de óleo de acordo com a invenção, estando a válvula em uma posição aberta;
- A Figura 3 é uma representação esquemática de um circuito de óleo de acordo com a invenção, estando a válvula em uma posição fechada;
- A Figura 4 é uma vista esquemática, em perspectiva, a jusante de um motor de turbina que compreende um trocador de calor de acordo com a invenção;
- A Figura 5 é uma vista esquemática em corte transversal do posicionamento de um trocador de calor, em um caminho do motor de turbina,
- A Figura 6a vista esquemática de uma montagem de acordo com a invenção;
- A Figura 6b mostra uma vista em corte transversal da montagem em um plano radial.
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6/11
- A Figura 7 é uma vista esquemática em perspectiva de uma seção transversal radial da montagem da Figura 6a;
Descrição de Realizações da Invenção [022] É feita referência à Figura 2, que representa um circuito de óleo (24) de acordo com a invenção. Nesta descrição, o termo trocador referese a um meio que é capaz de trocar calor entre duas entidades. Habitualmente, um invólucro estrutural envolve os meios de troca de calor, de modo que a montagem pode ser denominada trocador de calor sem que o invólucro estrutural participe ativamente na troca de calor. Assim, é claro que a invenção também abrange este tipo de produto.
[023] Como mostrado na Figura 2, o circuito de óleo (24) inclui um tubo de derivação primário (26) idêntico ao tubo de derivação (16) na Figura 1 e um tubo de derivação secundário (28) que liga a extremidade a montante do tubo de derivação primário (26) à extremidade a jusante do tubo de derivação primário (26). Mais especificamente, a extremidade a montante do tubo de derivação primário (26) e a extremidade a montante do tubo de derivação secundário (28) estão ligadas uma à outra na entrada do tubo de alimentação (30) do trocador de calor (31) ou, mais especificamente, da matriz (33) do trocador de calor (31).
[024] A extremidade a jusante do tubo de derivação primário (26) está ligada à entrada de uma válvula (22) cuja abertura/ fechamento são controlados por meios de controle (35) que autorizam/ bloqueiam o fluxo de fluido através da válvula (22) para uma temperatura do óleo abaixo de uma determinada temperatura limiar, por exemplo, 70 °C. Em uma realização particular da invenção, os meios de controle da válvula são passivos e são feitos de cera capaz de variar em volume de acordo com a temperatura ambiente. A variação de volume da cera dentro da válvula permite que o óleo passe seletivamente pela válvula ou bloqueie o fluxo de óleo a montante da
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7/11 válvula. A saída de válvula (22) está ligada a um tubo de saída (34) da matriz de trocador de calor.
[025] Em uma realização alternativa (não mostrada), a válvula (22) pode ser montada a montante da extremidade a montante do tubo de derivação primário (26) de modo a permitir que o fluido flua no tubo de derivação primário (26) para uma temperatura abaixo da temperatura limiar e proíba o fluxo de óleo para uma temperatura acima da temperatura limiar, sendo permitido o fluxo de óleo no tubo de alimentação (30) da matriz de óleo, independentemente da temperatura. Nesta realização, a extremidade a montante do tubo de derivação secundário (28) está ligada à saída da válvula (22) ou a jusante da extremidade a jusante do tubo de derivação primário (26).
[026] Ainda em uma outra realização da invenção, seria possível utilizar uma válvula para cada tubo de derivação primário (26) e secundário (28), sendo a abertura e o fechamento destas válvulas controlados simultaneamente pelos meios de controle.
[027] Na realização da Figura 2, a válvula (22) é, de preferência, uma válvula unidirecional de uma via de abertura-fechamento com duas posições, uma das quais permite que o óleo flua através dos tubos de derivação primário (26) e secundário (28) e a outra proíbe o fluxo através dos referidos tubos (26, 28). Ainda seria possível usar uma válvula pilotada com duas portas e duas posições.
[028] O fluxo de óleo na matriz (33) é representado pelas setas de tubo sólidas na Figura 2.
[029] De acordo com a invenção, quando o óleo na matriz (33) é congelado, o óleo flui através do tubo primário (26) e do tubo secundário (28), como representado pelas setas pontilhadas nas Figuras 2 e 3.
[030] O fluxo de óleo duplo no tubo primário (26) e no tubo secundário (28) aumenta o caudal do óleo em movimento quando a matriz (33)
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8/11 é congelada, reduzindo a sobrepressão no circuito de óleo (24), particularmente no tubo primário para um dado fluxo de óleo no tubo de alimentação (34).
[031] De preferência, o tubo secundário (28) tem uma seção transversal de passagem de óleo inferior ou igual ao diâmetro da seção transversal de passagem de óleo do tubo primário (26), de modo que o óleo flui principalmente através do tubo primário (26) e assegura assim que a matriz (33) é descongelada.
[032] Do mesmo modo, entende-se que o tubo secundário deve ser o mais curto possível para reduzir a queda de pressão no tubo primário, assegurando simultaneamente a descongelação adequada. Assim, por exemplo, o tubo secundário pode ser definido por um comprimento pelo menos dez vezes menor que o do tubo primário, e/ ou um diâmetro três vezes menor que o primeiro tubo.
[033] A Figura 4 mostra um motor de turbina (36) como visto a jusante (na direção do fluxo de ar) compreendendo uma roda insuflante (38) e o trocador de calor ar/ óleo (31) suportado por um invólucro anular externo (40) do percurso de fluxo de ar secundário (seta A em Figura 5). Como é melhor visto na Figura 5, o trocador de calor (31) é suportado pelo invólucro (40) e a sua matriz está disposta para formar uma superfície de fluxo radialmente externa do fluxo de ar secundário do motor de turbina, isto é, o fluxo de ar contornando os compressores de baixa e alta pressão, a câmara de combustão e as turbinas de alta e baixa pressão.
[034] Na prática, entende-se que o trocador de calor ar/ óleo (31) está na forma de um anel disposto em torno do eixo (42) do motor de turbina (36).
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9/11 [035] Na descrição, o termo “tubo secundário” deve ser entendido como referindo-se a qualquer passagem de fluido permitindo que o óleo flua entre as extremidades a montante e a jusante do tubo primário.
[036] Assim, no trocador de calor descrito acima, o tubo secundário pode ser um orifício simples proporcionado em uma parede que separa o óleo que flui no tubo de alimentação (30) e o óleo que flui na parte a jusante do tubo primário (33).
[037] Em uma realização da invenção, o tubo primário tem um diâmetro de cerca de 12 mm e o tubo secundário é um orifício como indicado no parágrafo anterior e tem um diâmetro de 5 mm.
[038] O comprimento do tubo primário é, em uma realização, em torno de vários metros.
[039] A Figura 6a representa uma montagem (44) de acordo com a invenção compreendendo um invólucro formado por um primeiro meio-anel (46) e um segundo meio-anel (48) ligados um ao outro por uma peça central (50). Esta montagem (44) inclui, como descrito acima, um circuito de óleo (24) e uma matriz de troca de calor (33) bem como aletas de arrefecimento (70) dispostas na face radialmente interna da matriz de óleo (33). A peça central inclui uma entrada de óleo (30) na matriz (33), uma saída de óleo (34) da matriz (33) e a válvula unidirecional (22). Como descrito acima, a entrada de óleo (30) também fornece o tubo primário (26) e o tubo secundário (28) e a saída de óleo (34) está ligada à saída da válvula unidirecional (22) ou mais geralmente a uma saída da válvula (22).
[040] O primeiro meio-anel (46) compreende uma primeira ramificação de tubo semicircular (46a) e uma segunda ramificação de tubo semicircular (46c) ligadas uma à outra por uma ramificação de ligação (46b) formado na extremidade circunferencial oposta à peça central (50) (Figura 6b). A primeira ramificação (46a) é formada a montante da segunda ramificação
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10/11 (46c) e a ramificação de ligação (46b) do primeiro meio-anel (46) prolonga-se substancialmente axialmente. A primeira ramificação (46a), a segunda ramificação (46c) e a ramificação de ligação (46b) formam em conjunto uma primeira peça (52) do tubo de derivação primário (26).
[041] O segundo meio-anel (48) compreende uma primeira ramificação de tubo semicircular (48a) e uma segunda ramificação de tubo semicircular (48c) ligadas uma à outra por uma ramificação de ligação (48b) formado na extremidade circunferencial oposta à peça central (50). A primeira ramificação (48a) é formada a montante da segunda ramificação (48c) e a ramificação de ligação (48b) prolonga-se substancialmente axialmente. A primeira ramificação (48a), a segunda ramificação (48c) e a ramificação de ligação (48b) do segundo meio-anel (48) formam, em conjunto, uma segunda peça (54) do tubo de derivação primário (26). A primeira peça (52) do tubo de derivação primário e a segunda peça (54) do tubo de derivação primário juntas definem totalmente o tubo de derivação primário (26).
[042] Mais especificamente, como mostrado na Figura 7, a peça central (50) transporta a válvula (22) que inclui um corpo tubular (54) no qual um pistão (56) está montado de forma deslizante entre uma primeira posição de suporte em um assento (58) fechando o fluxo de óleo entre a saída (60) do tubo primário (26) e a saída (34) da matriz (33) e uma segunda posição na qual o pistão (56) está afastado do assento (58) e permite o fluxo de óleo. O pistão (56) compreende uma primeira peça radialmente externa (56a) deslizante com uma vedação no corpo e conectada por uma haste (56b) a uma cabeça (56c) do pistão destinada a ser apoiada no assento (58) ou ao redor da abertura de saída (62). Esta cabeça inclui um chanfro anular (64) para o suporte na periferia do orifício (62). Quando o óleo flui através da abertura (60), então flui através do tubo (66) para alcançar a saída (34) da matriz de óleo (33).
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11/11 [043] Como mostrado na Figura 7, o tubo secundário (28) liga a extremidade a montante do tubo primário (26) à extremidade a jusante do tubo primário (26). Esta figura também mostra a porta de entrada de óleo (68) no tubo primário (26), estando esta porta (68) ligada à entrada de óleo (30) da matriz (33).
[044] O tubo primário (26) e o tubo secundário (28) são fornecidos através da entrada de óleo (30) da matriz (33). O óleo no tubo primário (26) e no tubo secundário (28) flui então para a válvula (22), a qual bloqueia o óleo na saída (60) do tubo primário (26) ou permite que o óleo escape através da saída (34) da matriz de óleo (33).
[045] O fluxo no tubo primário (26) inclui, em particular, um fluxo no primeiro meio-anel (46) e depois no segundo meio-anel (48) antes de alcançar a válvula (22). Mais especificamente, o óleo flui para a primeira ramificação semicircular (46a), depois para a ramificação de ligação (46b) e finalmente para a segunda ramificação semicircular (46c) do primeiro meio-anel (46). Uma vez que o óleo está na extremidade a jusante da segunda ramificação semicircular (46c) do primeiro meio-anel (46), o óleo flui então para o segundo meio-anel (48) na segunda ramificação semicircular (48c), depois na ramificação de ligação (48b) e finalmente na primeira ramificação semicircular (48a) antes de atingir a saída (34) da matriz de óleo (33) através da válvula (22).
Claims (7)
- Reivindicações1. MONTAGEM (44) PARA UM MOTOR DE TURBINA (36), caracterizada pelo fato de que compreende um circuito de óleo (24), incluindo um trocador de calor ar/óleo (31), um tubo de derivação primário (26) que liga uma entrada do trocador de calor ar/óleo (31) a uma saída do trocador de calor ar/óleo (31) e que envolve o trocador de calor ar/óleo (31), de modo a trocar calor com o trocador de calor ar/óleo (31) e um tubo de derivação secundário (28) do tubo primário (26) que liga a extremidade a montante do tubo de derivação primário (26) à extremidade a jusante do tubo de derivação primário (26), o circuito (24) também compreende pelo menos uma válvula (22) para controlar a passagem do fluxo de óleo para os tubos de derivação primário (26) e secundário (28) e meios (35) para controlar a abertura da pelo menos uma válvula (22) para uma temperatura inferior a uma temperatura limiar, o tubo de derivação secundário (28) possuindo um comprimento pelo menos dez vezes menor que o comprimento do tubo de derivação primário (26).
- 2. MONTAGEM, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o circuito inclui uma única válvula (22) disposta na saída do tubo de derivação primário (26) e a jusante da saída do tubo de derivação secundário (28).
- 3. MONTAGEM, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelo fato de que a válvula de controle (22) é uma válvula capaz de adotar pelo menos duas posições, uma primeira posição aberta da qual permite a passagem de óleo e uma segunda posição fechada bloqueia a passagem de óleo através da válvula (22).
- 4. MONTAGEM, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a temperatura limiar é de 70 °C.Petição 870190054889, de 13/06/2019, pág. 44/492/2
- 5. MONTAGEM, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a válvula de controle (22) é uma válvula unidirecional de duas vias (22).
- 6. MONTAGEM, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que o tubo de derivação secundário (28) tem um diâmetro pelo menos três vezes menor que o diâmetro do tubo de derivação primário (26).
- 7. MOTOR DE TURBINA, caracterizado pelo fato de que compreende uma montagem conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, em que o trocador de calor óleo/ar delimita radialmente para fora uma superfície de descarga de um fluxo de ar secundário.
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