BRPI0914742A2

BRPI0914742A2 - compressor de turbomáquina, turbomáquina e pá de ajuste variável para um compressor

Info

Publication number: BRPI0914742A2
Application number: BRPI0914742-0A
Authority: BR
Inventors: Olivier Stéphane Domercq; Vincent Paul Gabriel Perrot
Original assignee: Snecma
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2009-06-15
Publication date: 2020-08-18
Also published as: CA2728740A1; RU2498117C2; BRPI0914742B1; WO2010007224A1; EP2307735B1; FR2933148B1; JP2011525954A; EP2307735A1; CA2728740C; RU2011102558A; FR2933148A1; US8974175B2; CN102076973A; US20110110773A1; CN102076973B

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

"COMPRESSOR DE TURBOMÁQUINA, TURBOMÁQUINA E PÁ DE AJUSTE VARIÁVEL PARA UM COMPRESSOR"

A presente invenção se refere a um compressor de turbomáquina tal como um turborreator ou um turbopropulsor de avião, que 5 compreende pelo menos um estágio retificador formado por pás de ajuste variável.

Um estágio retificador de um compressor desse tipo compreende uma fileira anular de pás de estator de ajuste variável que são levadas por um cárter extemo do compressor.

Cada pá compreende uma , lâmina que é ligada em sua extremidade radialmente extema por uma platina de contomo 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 extemo.

A extremidade radialmente intema 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 orificio de um cárter intemo do compressor.

De modo conhecido, a extremidade radialmente extema do pivô extemo de cada pá é ligada por uma pequena biela a um anel de comando deslocado em rotação em tomo do cárter extemo por um macaco ou análogo.

A rotação do anel de comando é transmitida pelas pequenas bielas aos pivôs extemos das pás e as faz girar em tomo de seus eixos.

O ajuste angular das pás de estator em uma turbomáquina é destinado a adaptar a geometria do compressor a seu ponto de fúncionamento 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.

Cada uma dessas pás é deslocável em rotação em tomo 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 d"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

- 5 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 füncionamento 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. 10 Quando a turbomáquina está em baixo regime ou em regime de desaceleração, as pás de ajuste variável são levadas para sua posição de fechamento, e quando a turbo máquina está em regime de pleno gás (para a decolagem por exemplo), as pás são levadas para sua posição de abertura.

Em baixo regime, apesar da posição fechada das pás de 15 estator, o ângulo de incidência entre a direção de escoamento do ar na corrente 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 intema e extema, e 20 desaparecem quando a incidência do fluido sobre as pás atinge valores mais reduzidos.

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 extemo ou intemo na circunvizinhança das pás.

No entanto, a 25 geometria dessas retiradas é em geral fixa e, se a retirada é benéfica em um regime dado de fúncionamento 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. A invenção tem notadamente como objetivo trazer uma 0 solução simples, eficaz e econômica para esses inconvenientes.

- 5 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 ajuste variável que compreendem cada uma delas uma lâmina ligada em pelo menos uma extremidade por uma platina de contomo substancialmente circular a um pivô cilíndrico radial guiado em 10 rotação em um orificio correspondente do cárter, cada pá sendo deslocável em rotação em tomo de um eixo definido pelo pivô da pá entre uma primeira posição e uma segunda posição, caracterizado pelo fato de que as platinas de pelo menos algumas das pás compreendem cada uma delas um orificio de retirada de ar na corrente do compressor, esses orificios sendo destinados a se 15 comunicarem com füros 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 ajuste das pás.

Vantajosamente, as pás são deslocáveis entre uma posição de 20 abertura e uma posição de fechamento, os orificios das platinas das pás sendo destinados a se comunicarem com os fúros do cárter quando as pás estão na posição de fechamento ou em uma posição intennediária, e a ser obturados pelo cárter quando as pás estão na posição de abertura.

Nesse último caso, as pás estando na posição de abertura, os 25 orificios das platinas 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 orificios das platinas das pás se comunicam com os füros formados no cárter, gerando assim uma seção disponível para a retirada de fluido que varia com o ângulo de ajuste, que permite que uma pequena parte da vazão de ar que escoa na corrente do compressor seja retirada para reduzir os . descolamentos de ar precitados, o que melhora os desempenhos da

- 5 turbomáquina em baixo regime ou em regime intermediário.

Em outros termos, o ajuste angular das pás de estator permite modular a vazão de ar retirado na corrente 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 10 descolamentos de ar sobre as pás.

A vazão máxima de ar retirado representa por exemplo menos de 5 °/, da vazão de ar que escoa na corrente do compressor.

Essa vazão varia em fúnção do ângulo de ajuste das pás e pode atingir valores médios quando as pás estão em posições intermediárias.

A retirada de ar pode ocorrer ao nível da platina extema ou ao 15 nível da platina intema de cada pá, e mesmo os dois.

A retirada de ar em uma só das platinas de cada pá permite evitar o descolamento de ar sobre a lâmina dessa pá, em sensivelmente toda sua dimensão radial.

Os orifícios das platinas das pás podem cada um deles ter uma forma substancialmente circular, triangular, oblonga, retangular ou 20 trapezoidal.

Os orifícios das platinas podem ser recortes da periferia das platinas.

Os füros do cárter podem também cada um deles ter uma forma substancialmente circular, triangular, oblonga, retangular ou trapezoidal.

Vantajosamente, os orifícios das platinas das pás desembocam na corrente do compressor, no lado dos extradorsos das lâminas dessas pás.

É

25 de fato ao nível do extradorso das lâminas das pás que o fluxo de ar que escoa na corrente é submetido a um fenômeno de depressão que favorece a criação de zonas de descolamento.

Os orificios das platinas podem ter cada um deles um diâmetro ou uma dimensão transversal superior àquele(a) dos füros do cárter de modo a que as vazões de ar retiradas sejam notadamente fünção dos diâmetros ou das dimensões transversais dos füros do cárter.

Em variante, os orificios das platinas têm cada um deles um diâmetro ou uma dimensão transversal inferior àquele(a) dos fúros do cárter.

Preferencialmente, buchas de calibração da 5 vazão de ar retirado são montadas nos fúros do cárter ou nos orificios das platinas.

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 ajuste variável (inclusive um compressor centrifúgo), caracterizada pelo fato de que ela compreende um compressor do tipo precitado.

A invenção também se refere a uma pá de ajuste variável para um compressor tal como descrito acima, caracterizada pelo fato de que ela compreende uma lâmina ligada em uma extremidade por uma platina de contomo substancialmente circular a um pivô cilíndrico que define o eixo de rotação da pá, a platina 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.

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 ajuste 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 ajuste variável de um compressor de turbomáquina de

5 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 ajuste 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 ajuste variável, vistas de cima.

É feito primeiro referência à figura 1 que representa um estágio retificador de pás 10 de ajuste variável de um compressor de alta pressão de turbomáquina, essas pás 10 sendo regularmente distribuídas em tomo do eixo longitudinal da turbomáquina e se estendendo substancialmente radialmente entre um cárter intemo 12 e um cárter extemo 14 do compressor.

Cada pá 10 compreende uma lâmina 16 ligada em sua extremidade radialmente extema por uma primeira platina 17 a um pivô cilíndrico radial 18, e em sua extremidade radialmente intema por uma segunda platina 19 a um pivô cilíndrico radial 20, os pivôs intemo 20 e extemo 18 definindo o eixo 22 de rotação da pá.

O pivô cilíndrico extemo 18 é introduzido em um conduto cilíndrico 24 do cárter extemo 14 e é guiado em rotação desse conduto por aros cilíndricos 26. O pivô cilíndrico intemo 20 é introduzido em um alojamento cilíndrico do cárter intemo 12 e é guiado em rotação dentro desse alojamento por uma bucha cilíndrica 28. 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 füga dos gases 38 que escoam na corrente do compressor (figuras 1 a 3). As platinas intema 19 e extema 17 têm cada uma delas um contomo substancialmente circular e são alojadas em entalhes de formas complementares do cárter intemo 12 e do cárter extemo 14, 5 respectivamente. As pás 10 são deslocáveis em rotação em tomo 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 dessa corrente, representada na figura 3.

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 na corrente (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. 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.

Na posição de fechamento, são constatados no entanto descolamentos de ar sobre as lâminas 16, entre as platinas 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 fúncionamento nominais.

A invenção permite corrigir esse problema graças a uma retirada de ar ao nível das extremidades radialmente intema e/ou extema 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 ajuste das pás.

5 De acordo com a presente invenção, essa retirada de ar ocorre através dos orifícios da platina intema e/ou da platina extema de pelo menos algumas das pás de um estágio do compressor, esses orificios se comunicando com fiiros ou perfürações do cárter correspondente do compressor para assegurar a evacuação do ar retirado.

Quando a platina intema 19 compreende tais orificios de retirada de ar, fúros ou perfúrações de passagem do ar retirado são formados no cárter intemo 12, e quando a platina extema 17 compreende tais orificios, fúros ou perfúrações de evacuação do ar retirado são formados no cárter extemo 14. Por razões de clareza, os exemplos de realização da invenção descritos na seqüência se referem unicamente a orifícios de retirada de ar fonnados nas platinas extemas 17 das pás e destinados a se comunicarem com füros ou perfúrações correspondentes do cárter extemo 14. Esses exemplos de realização são no entanto aplicáveis às platinas intemas 19 das pás e ao cárter intemo 12. 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 platinas extemas 17 compreendem cada uma delas um recorte transpassante 60. Esse recorte 60 se estende a partir da borda circular da platina na direção do eixo de rotação 22 da pá. Ele tem uma forma substancialmente triangular cuja base é substancialmente tangente à borda circular da platina 17 e cujo vértice oposto é encurvado e situado na proximidade do pivô extemo 18 da pá. As duas bordas laterais de cada recorte 60 são ligadas à periferia circular da platina por cantos de forma arredondada convexa.

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

. 5 Furos 62 substancialmente circulares são formados no cárter extemo 14 do compressor, na proximidade dos condutos 24 de alojamento dos pivôs extemos 18 das pás. O número de füros 62 do cárter pode ser igual ao número de pás 10, ou então ser um múltiplo inteiro do número de pás. No exemplo de realização das figuras 4 e 5, um füro 62 do 10 cárter é formado na proximidade de cada conduto 24. Quando as pás estão na posição de fechamento (figura 4), os füros 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 extemo (essa vazão de ar tendo um 15 valor máximo representado esquematicamente pelo enchimento completo em preto dos círculos 62 que representam os fúros do cárter). Esse ar pode ser recuperado em um coletor anular (não representado) que se estende em tomo do cárter extemo e no qual desembocam os fíjros 62 desse cárter. Quando as pás 10 estão na posição de abertura (figura 5), as 20 extremidades radialmente extemas dos recortes 60 das platinas não se comunicam mais com os füros 62 do cárter e não há portanto ar retirado através deles na corrente do compressor. Nessa posição, os recortes 60 das platinas são obturados pelo cárter 14 e os füros 62 do cárter são obturados pelas platinas 17. 25 Quanto maior for a seção de passagem de ar entre um recorte 60 e o fúro 62 correspondente, maior será a vazão de ar retirado. Quando o recorte 60 está alinhado radialmente com o fúrto 62 do cárter (figura 4), a vazão de ar retirado é máxima e depende da seção transversal do fúro 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 fúro 62 usinado no cárter. No caso especial de um estágio formado por 100 pás . regularmente distribuídas em tomo do eixo longitudinal da turbomáquina, a 5 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 fíjro 62 representa nesse caso 0,05 °/) da vazão de ar do compressor. 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 10· nesse caso fünção da seção de passagem do ar entre os recortes 60 das platinas e os fíjros 62 do cárter. Na variante de realização representada nas nguras 6 a 8, as platinas 17 das pás compreendem orifícios 64 transpassantes substancialmente circulares de retirada de ar. Os orifícios têm aqui um diâmetro superior àquela 15 dos fíjros 62 do cárter. Esses orificios 64 têm uma orientação substancialmente radial e desembocam nas faces radialmente intemas das platinas extemas das pás, no lado do extradorso 32 das lâminas dessas pás. A figura 6 representa as pás 10 na posição de abertura na qual os orifícios 64 de suas platinas não estão alinhados e não se comunicam com 20 os füros 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 orificios 64 das platinas e daquelas dos fúros 62 do cárter é máxima.

25 Os recortes 60 e os orificios 64 das platinas, assim como os füros 62 do cárter, podem ter qualquer forma e têm por exemplo uma fonna quadrada, triangular, trapezoidal, oblonga, ovóide, circular, etc... No caso da figura 9, o oMcio 66 da platina extema 17 da pá tem uma forma substancialmente triangular, e naquele da figura 10, o orifício

68 da platina 17 tem uma forma oblonga. Essas diferentes formas dos orifícios ou recortes da platina e dos fúros 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 tomo de seus eixos.

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

Claims

REIVINDICAÇÕES

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 ajuste variável que compreendem cada uma delas uma 5 lâmina (16) ligada em pelo menos uma extremidade por uma platina (17) de contomo 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 tomo de um eixo definido jpelo pivô da pá entre uma primeira posição e uma segunda posição, caracterizado pelo fato de que as platinas de pelo menos algumaS das pás compreendem cada uma delas um orificio (60, 64, 66, 68) de retirada de ar na corrente do compressor, esses orifícios sendo destinados a se comunicarem com füros (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 ajuste 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 platinas das pás sendo destinados a se comunicarem com os füros (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 com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os orifícios são formados em platinas (17) radialmente extemas das pás, e são destinados a se comunicarem com fúros de um cárter extemo (14) que circunda as pás.

4. Compressor de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os orifícios são formados em platinas (19) radialmente intemas das pás, e são destinados a se comunicarem com furos de um cárter intemo (12) circundado pelas pás.

5. Compressor de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que os orificios (64, 66, 68) das platinas das pás têm cada um deles uma forma substancialmente circular, triangular, oblonga, retangular ou trapezoidal. 5

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

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

8. Compressor de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que os orificios (60, 64, 66, 68) das platinas das pás desembocam na corrente do compressor, no lado dos extradorsos (32) das lâminas (16) dessas pás.

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

10. Compressor de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que buchas de calibração da vazão de ar retirado são montadas nos fúros (62) do cárter ou nos orifícios (60, 64, 66, 68) das platinas-

ll. Turbomáquina, tal como um turborreator, um turbopropulsor de avião, um turbomotor de helicóptero ou uma máquina industrial, caracterizada pelo fato de que ela compreende um compressor de acordo com uma das reivindicações precedentes.

12. Pá de ajuste variável para um compressor de acordo com uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pelo fato de que ela compreende uma lâmina (16) ligada em pelo menos uma extremidade por uma platina (17) de contomo substancialmente circular a um pivô cilíndrico (18) que define o eixo (22) de rotação da pá, a platina 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.