BRPI0910320B1

BRPI0910320B1 - Alojamento para roda de pás móveis de turbomáquina, e, turbomáquina

Info

Publication number: BRPI0910320B1
Application number: BRPI0910320-1A
Authority: BR
Inventors: Antoine Brunet; Olivier Domercq; Vincent Perrot; Laurent Jablonski
Original assignee: Snecma
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2020-02-18
Also published as: FR2929349B1; WO2009125135A2; FR2929349A1; EP2268926A2; RU2010144039A; WO2009125135A3; ATE521812T1; CN102016324A; CA2718847C; JP2011515622A; BRPI0910320A2; ES2372266T3; US8777558B2; CN102016324B; JP5575741B2; RU2491447C2; US20110085896A1; EP2268926B1; CA2718847A1

Abstract

alojamento para roda de pás móveis de turbomáquina, e, turbomáquina alojamento (10) para roda de pás móveis (100) de turbomáquina, que compreende uma pluralidade de ranhuras circunferenciais (11, 12, 13), de seções substancialmente constantes, e no qual a superfície da seção (s1, s2, s3) das ranhuras circunferenciais (11, 12, 13) é decrescente de a montante para a jusante da primeira (11) para a última (13) ranhura. graças a esse tratamento de alojamento, o rendimento da roda de pás móveis é otimizado e a margem para o bombeamento é melhorada.

Description

“ALOJAMENTO PARA RODA DE PÁS MÓVEIS DE TURBOMÁQUINA, E, TURBOMÁQUINA” [0001] A invenção se refere ao domínio das rodas móveis de turbomáquinas, e notadamente das rodas de compressores. Nas turbomáquinas de fato, as rodas móveis associadas a rodas fixas, formam estágios de compressor cujo papel é comprimir o fluido que os atravessa. A concepção e a otimização de uma grade de roda(s) móvel(eis) (quer dizer, de uma série de uma ou várias rodas móveis), por exemplo para um compressor, necessitam levar em consideração em especial dois objetivos.

[0002] O primeiro objetivo é ter um rendimento de compressão ótimo. Esse rendimento de compressão pode ser definido como a relação entre a energia idealmente fornecida ao fluido para uma compressão isentrópica entre a montante e a jusante da grade de rodas móveis e a energia realmente fornecida ao fluido. (No presente documento, a montante e a jusante são definidos em relação ao sentido de escoamento normal do fluido através da grade de rodas com pás).

[0003] O segundo objetivo é garantir uma “margem para o bombeamento” suficiente. O bombeamento é um fenômeno de instabilidade dôo fluido que sobrevém dentro de um compressor, que se manifesta por oscilações de baixas freqüências do escoamento, e que sobrevêm quando as condições de vazão, de alimentação, de pressão ou de temperatura se afastam do domínio de funcionamento normal da turbomáquina. Esse fenômeno instável sendo geralmente bastante energético, ele faz a turbomáquina agüentar grandes solicitações mecânicas (estáticas e dinâmicas). Compreende-se, portanto, naturalmente que um objetivo permanente por ocasião do desenvolvimento de uma grade de rodas móveis é estender o máximo possível o domínio de funcionamento normal dessa última e, devido a isso, do compressor ou da turbomáquina no qual ela se encontra, para dispor assim de uma “margem para o bombeamento” suficiente que permite evitar os fenômenos de bombeamento.

[0004] De maneira conhecida, disposições específicas são tomadas nas rodas de pás móveis para otimizar o segundo objetivo, s saber, a otimização da margem

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2/8 para o bombeamento.

[0005] Em uma roda móvel ou roda de pás móveis, a folga radial de funcionamento entre o alojamento fixo e as pás móveis gera um escoamento secundário dito escoamento de folga. Esse último está na origem de perdas significativas do rendimento das rodas móveis e pode estar em uma maioria dos casos, na origem da perda de estabilidade do compressor (fenômeno de bombeamento). De maneira que, para satisfazer o segundo objetivo indicado precedentemente e maximizar a margem para o bombeamento da grade de rodas móveis, de maneira conhecida, é realizado na parede interna do alojamento, em frente às extremidades de pás das rodas móveis, um tratamento de alojamento.

[0006] Um tratamento de alojamento consiste por exemplo em realizar um conjunto de ranhuras na parede interior do alojamento. Graças a essas ranhuras, a margem do bombeamento da roda de pás é melhorada. A patente GB 24 08 546 fornece assim um exemplo de tratamento de alojamento para turbomáquina. No entanto, no tratamento de alojamento que ela divulga, a disposição das ranhuras é muito especial: não se trata de ranhuras circunferenciais, mas de fendas circunferenciais espaçadas umas das outras cuja inclinação em relação à direção radial é variável. Disso resulta que a fabricação do alojamento é relativamente complexa, e, portanto, custosa, e isso, sem assegurar que o alojamento permita ao mesmo tempo o aumento de margem para o bombeamento e a otimização do rendimento de compressão.

[0007] Na prática, a maior parte dos tratamentos de alojamento só é destinada a otimizar a margem para o bombeamento do compressor, sem se preocupar com o impacto com freqüência negativo que eles têm sobre o rendimento de compressão.

[0008] O objetivo da presente invenção é definir um alojamento para roda de pás móveis de turbomáquina, o dito alojamento tendo uma parede interior substancialmente cilíndrica de acordo com um eixo de alojamento, essa parede cilíndrica apresentando uma pluralidade de ranhuras circunferenciais, cada uma delas tendo uma seção substancialmente constante em um plano de seção axial, e que seja otimizado para simultaneamente melhorar a margem para o bombeamento

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3/8 e otimizar o rendimento da roda de pás de turbomáquina associada.

[0009] Esse objetivo é atingido graças ao fato de que no alojamento, a superfície da seção (S1, S2, S3) das ranhuras circunferenciais (11, 12, 13) é decrescente de a montante para a jusante da primeira (11) para a última (13) ranhura.

[0010] Por extremidade a montante, é designada acima uma extremidade do alojamento que é prevista para ser disposta no lado a montante do alojamento.

[0011] Por ranhura circunferencial, entende-se ranhuras que são dispostas substancialmente em um plano perpendicular ao eixo da roda de pás. São, portanto, tipicamente ranhuras circulares traçadas em um plano perpendicular ao eixo da roda de pás. Essas ranhuras não são necessariamente contínuas, e não dão necessariamente a volta completa no alojamento. No entanto, para que elas tenham uma eficácia suficiente notadamente na melhoria da margem para o bombeamento da grade de rodas móveis, é necessário que elas ocupem uma grande parte da circunferência do alojamento.

[0012] O fato de que cada ranhura circunferencial tenha uma seção substancialmente compreendida em um plano de seção axial significa que qualquer que seja o plano de seção axial escolhido para avaliar a seção, a seção da ranhura é substancialmente a mesma.

[0013] O interesse da invenção resulta das duas observações seguintes: por um lado, é essencialmente a primeira ranhura, no lado a montante da roda de pás, que contribui para a melhoria da margem de bombeamento, as outras ranhuras contribuindo de maneira decrescente para essa melhoria, em função do afastamento das mesmas em relação à primeira ranhura, por outro lado, cada uma dessas ranhuras tem um impacto geralmente negativo sobre o rendimento de compressão da grade de pás móveis.

[0014] Assim, para otimizar simultaneamente o rendimento da roda de pás, e a melhoria da margem para o bombeamento, de acordo com a invenção, privilegia-se a superfície da seção da primeira ou das primeiras ranhuras em relação às ranhuras seguintes (quer dizer, de um grupo de ranhuras situado a montante da ou das outras ranhuras situadas mais a jusante).

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4/8 [0015] Em geral, é a primeira ranhura a montante que tem uma superfície de seção superior àquela de todas as outras ranhuras. No entanto, a invenção visa também um modo de realização no qual o alojamento apresenta de a montante para a jusante, duas ranhuras de seções de mesma superfície, e depois duas ranhuras de seções de superfície menor e assim por diante. De acordo com a invenção, todas as variações da superfície de seção das ranhuras podem ser consideradas, sob reserva de que a superfície da seção das ditas ranhuras circunferenciais seja decrescente de a montante para a jusante, da primeira para a última ranhura. Esse decrescimento pode ser regular como por exemplo, quando a diminuição de superfície da seção das ranhuras de a montante para a jusante é linear. Em um outro modo de realização, o decrescimento da superfície de seção das ranhuras pode também ser feito por patamares.

[0016] Será notado que as ranhuras a considerar são as ranhuras dispostas substancialmente em frente às pás da roda de pás, independentemente da forma do alojamento a montante e a jusante da roda de pás.

[0017] De acordo com um modo de realização, as ranhuras se estendem cada uma delas substancialmente em um plano perpendicular ao eixo do alojamento.

[0018] De acordo com um modo de realização, a profundidade da primeira das ditas ranhuras circunferenciais é superior àquela das ranhuras situadas mais a jusante.

[0019] De acordo com um modo de realização, a profundidade das ditas ranhuras circunferenciais é decrescente de a montante para a jusante.

[0020] Vantajosamente, o decrescimento de profundidade das ditas ranhuras circunferenciais é linear [0021] De acordo com um modo de realização, a largura da primeira das ditas ranhuras circunferenciais é superior àquela das ranhuras seguintes situadas mais a jusante.

[0022] De acordo com um modo de realização, a largura das ditas ranhuras circunferenciais é decrescente de a montante para a jusante de acordo com o eixo do alojamento.

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5/8 [0023] Os diferentes modos de realização citados precedentemente permitem de acordo com a invenção otimizar simultaneamente o rendimento da roda de pás e a melhoria da margem para o bombeamento agindo-se sobre diferentes parâmetros que podem assim ser otimizados em função das outras restrições a considerar na concepção da grade de rodas móveis.

[0024] De acordo com um modo de realização, o alojamento apresenta entre ranhuras consecutivas superfícies de junção substancialmente cilíndricas, e o diâmetro das superfícies de junção é substancialmente igual ao valor médio dos diâmetros interiores do alojamento medidos respectivamente a montante e a jusante das ranhuras.

[0025] Graças a essa disposição, o escoamento ao nível da folga entre as extremidades de pás e o alojamento se produz, se as ranhuras são excluídas, em um espaço cujo diâmetro evolui de uma maneira regular, e assim as turbulências indesejáveis são reduzidas.

[0026] Um segundo objeto da invenção é definir uma turbomáquina de rendimento elevado e da qual a margem para o bombeamento é grande.

[0027] Esse objetivo é atingido graças ao fato de que a turbomáquina compreende uma roda de pás móveis, e um alojamento tal como definido precedentemente. Assim, os desempenhos da turbomáquina são otimizados, e essa última se beneficia de um rendimento otimizado com uma margem para o bombeamento melhorada.

[0028] A invenção será bem compreendida e suas vantagens aparecerão melhor com a leitura da descrição detalhada que se segue, de um modo de realização representado a título de exemplo não limitativo. A descrição se refere aos desenhos anexos, nos quais:

a figura 1 é uma vista em perspectiva de uma roda de pás móveis para turbomáquina que compreende um alojamento de acordo com a invenção;

a figura 2 é um corte axial da roda de pás moveis apresentada na figura 1 que mostra o tratamento de alojamento objeto da invenção.

[0029] Fazendo-se referência à figura 1, um alojamento para rodas de pás

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6/8 móveis de acordo com a invenção vai agora ser descrito.

[0030] A figura 1 representa uma roda de pás 100. Essa roda de pás 100 é composta principalmente por um rotor constituído por um disco rotor 30 e pás 20, móvel em rotação de acordo com um eixo F no interior de um estator constituído por um alojamento 10 fixo. Na roda de pás, o disco rotor 30 é uma peça em forma de anel da qual uma função é reter e mover em rotação as pás móveis 20. As pás móveis são geralmente fixadas ao disco rotor por seus pés com o auxílio de ligações ditas cravadas ou martelo. Cada uma das pás móveis é assim constituída por um pé, por uma plataforma 22 que constitui a parte interna da seção de passagem do fluxo, e por um perfil aerodinâmico 23. As pás móveis podem também ser realizadas no mesmo bloco de material que o disco rotor, fala-se nesses casos de disco com pás monobloco. O fluxo escoa substancialmente de acordo com o eixo F da roda de pás, nas passagens interpás dispostas entre os perfis aerodinâmicos 23 das diferentes pás. No sentido radial, a passagem do fluxo é feita entre as plataformas 22 das pás e no interior do alojamento 10 da roda de pás. Cada pá compreende um perfil aerodinâmico 23 disposto em uma direção substancialmente radial. O pé da pá é disposto na direção do centro da roda de pás, enquanto que o perfil 23 se estende na direção do exterior. A extremidade do perfil 23, no decorrer da rotação da roda de pás, é, portanto, levada a se deslocar em grande velocidade na proximidade do alojamento fixo 10. Para a eficácia da roda de pás, um controle da folga (B1, B2) entre a extremidade da pá e a parede interna 15 do alojamento é importante. É assim essencial que essa folga seja reduzida. Essa folga vai ser detalhada em relação com a figura 2.

[0031] A figura 2 é um corte que mostra a extremidade de uma pá 20 em frente ao corte correspondente do alojamento 10. Para permitir a rotação relativa da pá 20 em relação ao alojamento 10, uma folga é disposta entre a pá e o alojamento. Essa última toma assim um valor B1 a montante da pá e um valor B2 a jusante no exemplo representado. O corte mostra as seções de três ranhuras 11, 12 e 13 radiais ou substancialmente radiais. Essas três ranhuras são dispostas em frente à extremidade da pá 20; elas podem se estender parcialmente a montante ou a

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7/8 jusante dessa extremidade. Essas ranhuras 11, 12 e 13 constituem um tratamento de alojamento cujo objetivo é melhorar a margem para o bombeamento na turbomáquina da qual faz parte a roda de pás, ao mesmo tempo em que dispõe de um rendimento ótimo da roda de pás. Para atingir esse objetivo, a disposição das ranhuras de acordo com a invenção mostra ranhuras 11, 12, 13 das quais as superfícies de seção respectivas S1, S2, S3 são decrescentes de a montante para a jusante. As ranhuras 11, 12 e 13 são ranhuras circulares radiais que dão a volta no alojamento em um plano perpendicular ao eixo F desse último. As superfícies S1, S2, S3 decrescem linearmente. Esse decrescimento da superfície das ranhuras de a montante para a jusante assim como a preeminência da primeira ranhura em relação às seguintes são obtidos fazendo-se variar ao mesmo tempo a largura das ranhuras, mas também a profundidade das mesmas.

[0032] Assim, a primeira ranhura tem a maior largura D1 medida de acordo com o eixo F do alojamento, mas também a maior profundidade E1 medida radialmente. De maneira similar, as profundidades de ranhuras decrescem, linearmente, de a montante para a jusante entre as três ranhuras 11, 12 e 13 e apresentam assim profundidades E1, E2, E3 linearmente decrescentes; do mesmo modo, as larguras medidas de acordo com o eixo F do alojamento D1, D2 e D3 respectivamente das três ranhuras são linearmente decrescentes de a montante para a jusante.

[0033] Para minimizar as turbulências que se produzem entre a extremidade da pá 20 e a parede do alojamento 10, as folgas entre a extremidade da pá e a parede 15 interna do alojamento 10 variam de maneira contínua entre a montante e a jusante da roda de pás.

[0034] A partir da extremidade da pá, essas folgas são, de a montante para a jusante, uma primeira folga B1 até a parede interna 15 do alojamento, uma folga C1 até a superfície de junção 16 entre as ranhuras 11 e 12, uma folga C2 até a superfície de junção 17 entre as ranhuras 12 e 13, e finalmente uma folga B2 até a parede interna 15 do alojamento (a noção de folga não sendo definida perpendicularmente às ranhuras 11, 12 e 13).

[0035] Para permitir uma passagem regular, pouco geradora de turbulências

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8/8 através da roda de pás na proximidade das extremidades exteriores das pás móveis, as folgas B1, C1, C2, e B2 têm valores próximos. Correlativamente, é possível notar também que as superfícies de junção 16 e 17 entre ranhuras, são substancialmente cilíndricas e têm diâmetros substancialmente iguais a um diâmetro médio entre o diâmetro a montante A1 medido a montante da pá 20 e o diâmetro A2 medido a jusante dessa última.

[0036] As ranhuras 11, 12, 13 representadas na figura 2 se estendem radialmente, quer dizer cada uma delas substancialmente em um plano perpendicular ao eixo do alojamento. De acordo com uma variante, essas ranhuras podem também ser obliquas, quer dizer as ranhuras não são cavadas perpendicularmente à parede 15 interna do alojamento, mas de modo oblíquo, seja para a montante, seja para a jusante da roda de pás.

[0037] Por outro lado, na prática, a profundidade E1 das ranhuras varia tipicamente da metade da folga média até trinta vezes até trinta vezes essa última, a folga média sendo medida entre a extremidade da pá 20 e a parede interna 15 do alojamento 10. Por outro lado, tipicamente a profundidade, a superfície e/ou a largura de ranhura é dividida por dois a cinco, entre a primeira ranhura a montante do tratamento de alojamento e a última ranhura do tratamento de alojamento.

[0038] Finalmente, o modo de realização apresentado na figura 2 compreende três ranhuras, das quais as seções apresentam superfícies regularmente decrescentes. Numerosos outros modos de realização podem ser utilizados. Notadamente, no lugar de ter essas seções de superfícies regularmente decrescentes, é possível ter um primeiro grupo de ranhuras a montante, que têm todas elas uma mesma superfície de seção, que seria superior àquela comum às outras ranhuras situadas mais a jusante.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Alojamento (10) para roda de pás móveis (100) de turbomáquina, o dito alojamento tendo uma parede interior (15) substancialmente cilíndrica de acordo com um eixo de alojamento, essa parede cilíndrica apresentando uma pluralidade de ranhuras circunferenciais (11, 12, 13), cada uma delas tendo uma seção substancialmente constante em um plano de seção axial, caracterizado pelo fato de que a superfície da seção (S1, S2, S3) das ranhuras circunferenciais (11, 12, 13) é decrescente de a montante para a jusante da primeira (11) para a última (13) ranhura.
2. Alojamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a diminuição de superfície da seção (S1, S2, S3) das ranhuras de a montante para a jusante é linear.
3. Alojamento de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a profundidade (E1) da primeira das ditas ranhuras circunferenciais é superior àquelas (E2, E3) das ranhuras seguintes (12, 13) situadas mais a jusante.
4. Alojamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a profundidade (E1, E2, E3) das ditas ranhuras circunferenciais é decrescente de a montante para a jusante.
5. Alojamento de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o decrescimento de profundidade das ditas ranhuras circunferenciais é linear.
6. Alojamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a largura (D1) da primeira (11) das ditas ranhuras circunferenciais é superior àquela (D2, D3) das ranhuras seguintes situadas mais a jusante.
7. Alojamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a largura (D1, D2, D3) das ditas ranhuras circunferenciais é decrescente de a montante para a jusante.
8. Alojamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que apresenta entre ranhuras consecutivas superfícies de junção (16, 17) substancialmente cilíndricas, no qual o diâmetro das superfícies de

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2/2 junção é substancialmente igual ao valor médio dos diâmetros interiores (B1, B2) do alojamento (10) medidos respectivamente a montante e a jusante das ranhuras.
9. Alojamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que as ranhuras (11, 12, 13) se estendem cada uma delas substancialmente em um plano perpendicular ao eixo (F) do alojamento.
10. Turbomáquina caracterizada pelo fato de que compreende uma roda de pás móveis (100), e um alojamento como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9.