BR102016004247A2

BR102016004247A2 - componente de motor

Info

Publication number: BR102016004247A2
Application number: BR102016004247A
Authority: BR
Inventors: Robert David Briggs; Ronald Scott Bunker
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2016-10-11
Also published as: US20160251966A1; US20190106991A1; US10132166B2; CN105927286A; EP3064707A1; CA2921253A1; JP2016166607A

Abstract

trata-se de um componente de motor (80) para um motor de turbina a gás (10) que inclui um substrato resfriado por filme (82) que contém uma superfície quente (84) voltada para um fluxo de gás de combustão a quente e uma superfície de resfriamento (86) voltada para um fluxo de fluido de resfriamento. um orifício de filme (90) que se estende através do substrato (82) para uma saída (94) na superfície quente (84). uma estrutura de condicionamento de fluxo (112, 162) é fornecida a montante da saída (94).

Description

“COMPONENTE DE MOTOR” Antecedentes da Invenção [001] Os motores de turbina e, particularmente, os motores de turbina a gás ou combustão são motores giratórios que extraem energia a partir de um fluxo de gases comburidos que passam através do motor sobre uma multiplicidade de pás de turbina. Os motores de turbina a gás têm sido usados para locomoção terrestre, náutica e para geração de energia, porém são mais usados comumente para aplicações aeronáuticas tal como para aeronaves, inclusive helicópteros. Em aeronaves, os motores de turbina a gás são usados para a propulsão da aeronave. Em aplicações terrestres, os motores de turbina são usados frequentemente para geração de energia.

[002] Os motores de turbina a gás de aeronave para aeronave são projetados para operar em altas temperaturas para maximizar a eficiência do motor, portanto, pode ser necessário o resfriamento de certos componentes de motor, tais como a turbina de alta pressão e a turbina de baixa pressão. Alguns componentes de motor incluem orifícios de filme que suprem uma camada fina, filme ou fluido de resfriamento em uma superfície quente do componente de motor para proteger o componente de motor do gás de combustão a quente. Geralmente, o resfriamento é obtido pela canalização de ar mais resfriado a partir dos compressores de alta e/ou baixa pressão para os componentes de motor que exigem resfriamento de filme. O ar de resfriamento do compressor é de 500 °C a 700 °C. Embora o ar do compressor esteja em uma temperatura elevada, o mesmo é mais frio em relação ao ar que atravessa a câmara de combustão, que pode ser em torno de 1.000 °C a 2.000 °C.

[003] Um orifício de filme da técnica anterior 200 em um componente de motor 202 é mostrado nas Figuras 15 a 16. O componente de motor 202 inclui uma superfície quente 204 voltada para um fluxo de gás de combustão a quente H e uma superfície de resfriamento 206 voltada para um fluxo de fluido de resfriamento C. O orifício de filme 200 inclui uma entrada 208 fornecida em uma superfície de resfriamento 206, uma saída 210 fornecida na superfície quente 204 e uma passagem 212 que conecta a entrada 208 e a saída 210. Durante a operação, o fluxo de fluido de resfriamento C é suprido fora do orifício de filme 200, na saída 210, para criar uma camada fina ou um filme de ar de resfriamento na superfície quente 204, protegendo o mesmo do fluxo de gás de combustão a quente H. Quando o fluxo de gás de combustão a quente H encontra o fluxo de fluido de resfriamento C, o mesmo pode criar um vórtice em formato de ferradura que se envolve em torno do fluxo de fluido de resfriamento C. O vórtice em formato de ferradura pode causar uma mistura excessiva do fluxo de fluido de resfriamento C no fluxo de gás de combustão a quente Η, o que reduz a eficiência de resfriamento do orifício de filme 200. A penetração excessiva do fluxo de fluido de resfriamento C no fluxo de gás de combustão a quente H, assim que o fluxo de fluido de resfriamento C deixa a saída 94, pode resultar no fluxo de fluido de resfriamento C sendo varrido imediatamente da superfície quente 84 do substrato 82, o que reduz a eficiência de resfriamento do orifício de filme 90.

Breve Descrição da Invenção [004] As realizações da invenção se referem a um componente de motor para um motor de turbina a gás, em que o motor de turbina a gás gera fluxo de gás de combustão a quente, tem um substrato que tem uma superfície quente voltada para o fluxo de gás de combustão a quente e uma superfície de resfriamento voltada para um fluxo de fluido de resfriamento, em que o fluxo de gás de combustão a quente define em geral uma direção a montante e uma direção a jusante em relação à superfície quente, um orifício de filme que se estende através do substrato e tem uma entrada fornecida na superfície de resfriamento, uma saída fornecida na superfície quente e uma passagem que conecta a entrada e a saída, e uma estrutura de condicionamento de fluxo fornecida a montante da saída na superfície quente, em que a estrutura de condicionamento de fluxo é configurada para desviar pelo menos uma porção do fluxo de gás de combustão a quente em torno do fluxo de fluido de resfriamento que emerge da saída.

Breve Descrição dos Desenhos [005] Nos desenhos: [006] A Figura 1 é um diagrama em corte transversal esquemático de um motor de turbina a gás para uma aeronave.

[007] A Figura 2 é uma vista de corte transversal de um combustor e uma turbina de alta pressão do motor da Figura 1.

[008] A Figura 3 é uma vista transversal esquemática através de um orifício de filme de um componente de motor do motor da Figura 1, de acordo com uma primeira realização da invenção.

[009] A Figura 4 é uma vista superior da superfície quente do componente de motor da Figura 3.

[010] A Figura 5 é uma vista em perspectiva da superfície quente do componente de motor da Figura 3.

[011] As Figuras 6 a 8 são vistas similares às Figuras 3 a 5, que mostram o fluxo de gás de combustão a quente e o fluido de resfriamento do componente de motor.

[012] A Figura 9 é uma vista transversal esquemática através de um orifício de filme de um componente de motor do motor da Figura 1, de acordo com uma segunda realização da invenção.

[013] A Figura 10 é uma vista superior da superfície quente do componente de motor da Figura 9.

[014] A Figura 11 é uma vista em perspectiva da superfície quente do componente de motor da Figura 9.

[015] As Figuras 12 a 14 são vistas similares às Figuras 9 a 11, que mostram o fluxo de gás de combustão a quente e o fluido de resfriamento do componente de motor.

[016] A Figura 15 é uma vista transversal esquemática através de um orifício de filme de um componente de motor de acordo com a técnica anterior, que mostra o fluxo de gás de combustão a quente e o fluido de resfriamento do componente de motor.

[017] A Figura 16 é uma vista superior da superfície quente do componente de motor da Figura 15, que mostra o fluxo de gás de combustão a quente e o fluido de resfriamento do componente de motor.

Descrição das Realizações da invenção [018] As realizações descritas da presente invenção são direcionadas a um componente de motor resfriado por filme, particularmente em um motor de turbina a gás. Para propósitos de ilustração, aspectos da presente invenção serão descritos em relação a um motor de turbina a gás de aeronaves. Será compreendido, entretanto, que a invenção não está limitada e pode ter aplicação geral em aplicações não aeronáuticas, tais como em outras aplicações móveis e em aplicações industriais não móveis, comerciais e residenciais.

[019] A Figura 1 é um diagrama em corte transversal esquemático de um motor de turbina a gás 10 para uma aeronave. O motor 10 tem um eixo geométrico que se estende longitudinalmente em geral ou uma linha central 12 que se estende da parte dianteira 14 para a parte traseira 16. O motor 10 inclui, em relação de fluxo serial a jusante, uma seção de ventoinha 18 que inclui uma ventoinha 20, uma seção de compressor 22 que inclui uma bomba auxiliar ou um compressor 24 de baixa pressão (LP) e um compressor 26 de alta pressão (HP), uma seção de combustão 28 que inclui um combustor 30, uma seção de turbina 32 que inclui uma turbina HP 34, uma turbina LP 36 e uma seção de escapamento 38.

[020] A seção de ventoinha 18 inclui um invólucro de ventoinha 40 que circunda a ventoinha 20. A ventoinha 20 inclui uma pluralidade de pás de ventoinha 42 dispostas radialmente em torno da linha central 12.

[021] O compressor HP 26, o combustor 30 e a turbina HP 34 formam um núcleo 44 do motor 10 que gera gases de combustão. O núcleo 44 é circundado por um invólucro de núcleo 46 que pode ser acoplado com o invólucro de ventoinha 40.

[022] Um eixo HP ou uma bobina 48 disposta coaxialmente em torno da linha central 12 do motor 10 conecta de forma acionável a turbina HP 34 o compressor HP 26. Um eixo LP ou uma bobina 50, que estão dispostos coaxialmente em torno da linha central 12 do motor 10 dentro da bobina HP 48 anular de diâmetro maior, conectam de forma acionável a turbina LP 36 ao compressor LP 24 e à ventoinha 20.

[023] O compressor LP 24 e o compressor HP 26 incluem respectivamente uma pluralidade de estágios de compressor 52, 54, em que um conjunto de pás de compressor 56, 58 giram em relação a um conjunto correspondente de palhetas estáticas de compressor 60, 62 (também chamado de bocal) para comprimir ou pressurizar a corrente de fluido atravessando o estágio. Em um único estágio de compressor 52, 54, múltiplas pás de compressor 56, 58 podem ser fornecidas em um anel e pode se estender radialmente exteriormente em relação à linha central 12, a partir de uma plataforma de pá até uma ponta de pá, enquanto as palhetas estáticas de compressor correspondentes 60, 62 são posicionadas a jusante e adjacentes às pás giratórias 56, 58. É observado que o número de pás, palhetas, e estágios de compressor mostrados na Figura 1 foram selecionados somente para propósitos ilustrativos q que outros números são possíveis.

[024] A turbina HP 34 e a turbina LP 36 incluem respectivamente uma pluralidade de estágios de turbina 64, 66, que que um conjunto de pás de turbina 68, 70 é girado em relação a um conjunto correspondente de palhetas estáticas de turbina 72, 74 (também chamado de bocal) para extrair energia a partir de uma corrente de fluido atravessando o estágio. Em um único estágio de turbina 64, 66, múltiplas pás de turbina 68, 70 podem ser fornecidas em um anel e podem se estender radialmente exteriormente em relação à linha central 12, a partir de uma plataforma de pá até uma ponta de pá, enquanto as palhetas estáticas de turbina correspondentes 72, 74 são posicionadas a montante e adjacentes às pás giratórias 68, 70. É observado que o número de pás, palhetas, e estágios de turbina mostrados na Figura 1 foram selecionados somente para propósitos ilustrativos e que outros números são possíveis.

[025] Em operação, a ventoinha giratória 20 supre ar ambiente ao compressor LP 24, que supre, então, ar ambiente pressurizado ao compressor HP 26, que pressuriza adicionalmente o ar ambiente. O ar pressurizado do compressor HP 26 é misturado com combustível no combustor 30 e ignificado, gerando desse modo gases de combustão. Parte do trabalho é extraída desses gases pela turbina HP 34, que aciona o compressor HP 26. Os gases de combustão são descarregados no interior da turbina LP 36 que extrai trabalho adicional para acionar o compressor LP 24, e o gás de escapamento é, por fim, descarregado a partir do motor 10 através da seção de escapamento 38. O acionamento da turbina LP 36 aciona a Bobina LP 50 para girar a ventoinha 20 e o compressor LP 24.

[026] Parte do ar ambiente suprido pela ventoinha 20 pode desviar do núcleo de motor 44 e ser usada para resfriamento de porções, especialmente porções quentes do motor 10 e/ou usada para resfriar ou energizar outros aspectos da aeronave. No contexto de um motor de turbina, as porções quentes do motor estão normalmente a jusante do combustor 30, especialmente a seção de turbina 32 com a turbina HP 34 sendo a porção mais quente, uma vez que a mesma está diretamente a jusante da seção de combustão 28. Outras fontes de fluido de resfriamento podem ser, mas sem limitação, fluido descarregado a partir do compressor LP 24 ou do compressor HP 26.

[027] A Figura 2 é uma vista de corte transversal do combustor 30 e da turbina HP 34 do motor 10 da Figura 1. O combustor 30 inclui um defletor 76 e um forro de combustor 77. Os conjuntos de palhetas de turbina estáticas espaçadas radialmente 72, com palhetas adjacentes 72 formando bocais entre as mesmas, estão adjacentes à pá de turbina 68 da turbina 34 na direção do eixo geométrico. Os bocais transformam o gás de combustão em um fluxo melhor nas pás giratórias de modo que o máximo de energia possa ser extraída pela turbina 34. Um fluxo de fluido de resfriamento C atravessa as palhetas 72 para resfriar as palhetas 72, assim que o fluxo de gás de combustão a quente H passa em torno do exterior das palhetas 72. Um conjunto de reforço 78 está adjacente à pá giratória 68 para minimizar perda de fluido na turbina 34. Os conjuntos de reforço similares podem também ser associados à turbina LP 36, ao compressor LP 24 ou ao compressor HP 26.

[028] Um ou mais dentre os componentes de motor do motor 10 incluem um substrato resfriado por filme, em que pode ser fornecido um orifício de filme de uma realização revelada adicionalmente no presente documento. Parte dos exemplos não limitativos do componente de motor, que tem um substrato resfriado por filme, pode incluir as pás 68, 70, as palhetas ou os bocais 72, 74, o defletor de combustor 76, o forro de combustor 77 ou conjunto de reforço 78 descrito nas Figuras 1 a 2. Outros exemplos não limitativos, em que é usado resfriamento de filme, incluem dutos de transição de turbina e bocais de escapamento.

[029] A Figura 3 é uma vista transversal esquemática que mostra uma porção de um componente de motor 80, de acordo com uma primeira realização da invenção. O componente de motor 80 pode ser um componente de motor do motor 10 da Figura 1 e pode ser disposto em um fluxo de gás quente representado pela seta H. Um fluxo de fluido de resfriamento, representado pela seta C, pode ser suprido para resfriar o componente de motor. Conforme discutido acima, em relação às Figuras 1 a 2, no contexto de um motor de turbina, o ar de resfriamento pode ser o ar ambiente suprido pela ventoinha 20 que desvia do núcleo de motor 44, do fluido do compressor LP 24 ou do fluido do compressor HP 26.

[030] O componente de motor 80 inclui um substrato 82 que tem uma superfície quente 84 voltada para o fluxo de gás de combustão a quente H e uma superfície de resfriamento 86 voltada para o fluxo de fluido de resfriamento C. O substrato 82 pode formar uma parede do componente de motor 80; a parede pode ser uma parede exterior ou interior do componente de motor 80. O primeiro componente de motor 80 pode definir define pelo menos uma cavidade interior 88 que compreende a superfície de resfriamento 86. A superfície quente 84 pode ser um exterior superfície do componente de motor 80. No case de um motor de turbina a gás, a superfície quente 84 pode ser exposta à gases que têm temperaturas na faixa de 1000 °C a 2000 °C. Os materiais adequados para o substrato 82 incluem, mas sem limitação, aço, metais refratários como titânio, superligas à base de níquel, cobalto ou ferro e compósitos de matriz de cerâmica. As superligas podem incluir aquelas que estão em estruturas de cristal único, equiaxiais e solidificadas direccionalmente.

[031] O componente de motor 80 inclui adicionalmente um ou mais orifício (s) de filme 90 que se estendem através do substrato 82 que fornece comunicação de fluido entre a cavidade interior e a superfície quente 84 do componente de motor 80. Durante a operação, o fluxo de fluido de resfriamento C é suprido à cavidade interior 88 e fora do orifício de filme 90 para criar uma camada fina ou filme de ar frio na superfície quente 84, protegendo o mesmo do fluxo de gás de combustão a quente H. Embora somente um orifício de filme 90 seja mostrado na Figura 3, é compreendido que o componente de motor 80 pode ser fornecido com múltiplos orifícios de filme 90, que podem ser situados em qualquer configuração desejada no componente de motor 80.

[032] É observado que, em quaisquer das realizações discutidas no presente documento, apesar do substrato 82 ser mostrado como sendo geralmente plano, é compreendido que o substrato 82 pode ser curvado para muitos componentes de motor 80. Entretanto, a curvatura do substrato 82 pode ser leve em comparação ao tamanho do orifício de filme 90, portanto, para os propósitos de discussão e ilustração, o substrato 82 é mostrado como plano. Independente do substrato 82 ser plano ou curvado localmente ao orifício de filme 90, as superfícies quentes de resfriamento 84, 86 podem ser paralelas entre si, conforme mostrado presente documento, ou podem repousar em planos não paralelos.

[033] O orifício de filme 90 pode ter uma entrada 92 fornecida na superfície de resfriamento 86 do substrato 82, uma saída 94 fornecida na superfície quente 84 e uma passagem 96 que conecta a entrada 92 e a saída 94. A passagem 96 pode incluir uma seção de medição 98 para medição da taxa de fluxo de massa do fluxo de fluido de resfriamento C e uma seção de difusão 100 em que o fluido de resfriamento C pode ser expandido para formar um filme de resfriamento mais amplo. A seção de medição 98 pode ser uma porção da passagem 96 com a menor área de corte transversal perpendicular à direção do fluxo de fluido de resfriamento C através da passagem 96. A seção de medição 98 pode ser uma localização distinta em que a passagem tem a menor área de corte transversal ou uma seção alongada da passagem 96. A seção de difusão 100 está a jusante da seção de medição 98 em relação à direção do fluxo de fluido de resfriamento C através da passagem 96. A seção de difusão 100 pode estar em comunicação de fluxo em série com a seção de medição 98. A seção de medição 98 pode ser fornecida na ou próxima à entrada 92, enquanto a seção de difusão 100 pode ser definida na ou próxima à saída 94.

[034] Uma saída da seção de medição 98 é coincidente com uma entrada da seção de difusão 100, e a saída e a entrada coincidentes podem definir uma transição entre a seção de medição 98 e a seção de difusão 100, em que o fluxo de fluido de resfriamento C pode começar a expandir. Na realização ilustrada, a seção de medição 98 é uma seção alongada da passagem 96, e a transição repousa em uma extremidade distai ou a jusante da seção de medição 98. Nas realizações em que a seção de medição 98 é uma localização distinta, cuja passagem 96 possui a menor área de corte transversal, as extremidades a montante e a jusante da seção de medição 98 podem ser coincidentes, de modo que as extremidades de transição e a jusante da seção de medição 98 possam ser as mesmas. É observado que a transição não tem que repousar no interior de um plano. Em outros casos, poderá haver uma transição mais gradual entre a seção de medição 98 e a seção de difusão 100 que não repousa no interior de uma seção plana da passagem 96.

[035] O fluxo de fluido de resfriamento C, através da passagem 96, está em torno do eixo longitudinal da passagem 96, também mencionado no presente documento como a linha central 102 que atravessa o centro geométrico da área de corte transversal da seção de medição 98. O orifício de filme 90 pode ser inclinado em uma direção a jusante do fluxo de fluido de resfriamento C, através da passagem 96 de tal modo que a linha central 102 seja não ortogonal às superfícies quentes de resfriamento 84, 86. Alternativamente, o orifício de filme 90 pode ter uma linha central 102 que é ortogonal à uma ou ambas as superfícies quentes de resfriamento 84, 86 na área localizada do substrato 82 através da qual a linha central 102 passa.

[036] A saída 94 inclui uma extremidade a montante 104 e uma extremidade a jusante 106 que podem definir bordas em que a passagem 96 intersecta a superfície quente 84 do substrato 82. As bordas 104, 106 podem ser definidas geralmente em relação à direção do fluxo de gás de combustão a quente H, com o fluxo de gás de combustão a quente H que define geralmente uma direção a montante 108 e uma direção a jusante 110 em relação à superfície quente 84, isto é, além da saída 94.

[037] O componente de motor 80 é dotado adicionalmente de uma estrutura de condicionamento de fluxo 112 na superfície quente 84 do substrato 82. A estrutura de condicionamento de fluxo 112 está a montante da saída 94 e é configurada para desviar pelo menos uma porção do fluxo de gás de combustão a quente H em torno do fluxo de fluido de resfriamento C que emerge da saída 94. Esse desvio aprimora a eficiência de resfriamento do fluido a partir do orifício de filme 90, reduzindo-se a interação do fluxo de fluido de resfriamento C com o fluxo de gás de combustão a quente H.

[038] Na realização ilustrada, a estrutura de condicionamento de fluxo 112 compreende uma projeção da superfície quente 84. Quando vista em Quando vista em corte transversal, como na Figura 3, a projeção 112 tem uma extremidade a montante 114 e uma extremidade a jusante 116 definindo as bordas que podem definir as bordas em que a projeção 112 encontra a superfície quente 84 do substrato 82 e que são geralmente definas em relação à direção do fluxo de gás de combustão a quente Η. A projeção 112 pode ser centralizada em relação à linha central 102 do orifício de filme 90 e pode ser alongada na direção a montante 108.

[039] A projeção 112 pode ser imediatamente adjacente à saída 94 de modo que a projeção 112 seja contígua com a saída 94. Especificamente, a borda a jusante 116 da projeção 112 pode ser pelo menos parcialmente compartilhada coma a borda a montante 104 da saída 94. Em outras realizações da invenção, a projeção 112 pode ser separada da saída 94 de modo que a projeção 112 não esteja conectada fisicamente com o com o orifício de filme 90.

[040] A configuração da projeção 112 para desviar o fluxo de gás de combustão a quente H em torno do fluxo de fluido de resfriamento C emergindo da saída 94 pode ser pelo menos definida parcialmente pelo formato tridimensional da projeção 112, que é definido, por sua vez, pelo formato de corte transversal e pela forma plana da projeção 112. A projeção ilustrada 112 tem um formato de corte transversal que aumenta em altura na direção a jusante 110 no sentido da saída 94, de modo que a projeção 112 possa atuar como uma rampa para elevação do fluxo de gás de combustão a quente H que se afasta da superfície quente 84 a montante da saída 94, desse modo desviando o mesmo em torno da saída 94. A projeção ilustrada 112 é geralmente triangular, com uma superfície a montante 118 que encontra a superfície quente na borda a montante 114, e a superfície a jusante 120 que encontra a saída 94 na borda a jusante 116. Ambas as superfícies 118, 120 se estendem exteriormente a partir da superfície quente 84 e se encontram na borda externa 122. Ambas as superfícies 118, 120 podem declinar da borda externa 122 em direção à superfície quente 84, com a superfície a jusante 120 tendo um declínio acentuado e sendo menor que a superfície a montante 118. Alternativamente, a superfície 120 pode ser perpendicular à superfície quente 84 ou inclinada na direção oposta ao que é ilustrado na Figura 3.

[041] As Figuras 4 a 5 são vistas em perspectiva e superior da superfície quente 84 do componente de motor 80 da Figura 3. A saída 94 encontra a superfície quente 84 em um perímetro que inclui as bordas a montante e a jusante 104, 106 da saída 94. A saída ilustrada 94 tem um perímetro que é geralmente em formato retilíneo, com a borda a montante substancialmente linear 104 sendo unida com a borda a jusante substancialmente linear 106 por bordas laterais substancialmente lineares 124,126 que divergem entre si na direção a jusante. As bordas laterais 124, 126 podem se misturar com as bordas a montante e a jusante 104, 106 como curvas suaves em vez de um ângulo reto ou arredondado.

[042] A projeção 112 encontra também a superfície quente 84 em um perímetro que inclui as bordas a montante e a jusante 114, 116 da projeção 112. O perímetro geralmente define a forma plana da projeção 112 e a forma plana da projeção 112 pode afunilar na direção a montante oposta à saída 94, de modo que a projeção 112 pode atuar como uma cunha para separar o fluxo de gás de combustão a quente H a montante da saída 94 e desviar o mesmo em torno da saída 94. Na realização ilustrada, a forma plana da projeção 112 é geralmente triangular e é definida parcialmente pelas superfícies laterais 128, 130 da projeção 112 que se estendem a partir da borda a jusante 116 e convergem na borda a montante 114, que encontra ou mistura na superfície quente 84. As superfícies laterais 128, 130 podem se estender ascendentemente a partir da superfície quente 84 e encontrar as superfícies a montante e a jusante 118, 120.

[043] É observado que em algumas realizações da invenção, as superfícies 118, 120 128, 130 podem se misturar com as características circundantes, tais como a superfície quente 84 e/ou a saída 94 em uma transição suave em vez de um ângulo reto ou arredondado. Adicionalmente, as superfícies 118, 120, 128, 130 podem ser curvas ou arqueadas, em vez de lineares, conforme ilustrado.

[044] É compreendido adicionalmente que, para o orifício de filme 90 ilustrado, a projeção 112 é substancialmente axissimétrica em relação à linha central 102 e centralizada em relação à saída 94. Em outras realizações da invenção, a projeção 112 pode ser axissimétrica em relação à linha central 102.

[045] A configuração da projeção 112 para desviar o fluxo de gás de combustão a quente H em torno do fluxo de fluido de resfriamento C, que emerge a partir da saída 94, pode ser pelo menos parcialmente definida pelas dimensões da projeção 112 em relação à saída 94. Em um exemplo não limitativo, a largura máxima W1 da projeção 112, que é geralmente tomada transversal ao fluxo de gás de combustão a quente H, pode ser menor ou igual a duas vezes a largura W2 da saída 94 na sua borda a montante104. Conforme a projeção ilustrada 112 afunila, a largura máxima W1 pode ser definida na borda a jusante 116. Aqui, como mostrado na Figura 4, a largura máxima W1 da projeção 112 é levemente menor que a largura a montante W2 da saída 94. Adicionalmente, a altura máxima T da projeção 112, que é geralmente tomada transversal à superfície quente 84, pode ser menor ou igual a quatro vezes a largura a montante W2 da saída 94. Conforme a projeção ilustrada 112 afunila, a altura máxima T pode ser definida pela borda externa 122. O comprimento máximo L1 da projeção 112, que é geralmente tomado paralelo ao fluxo de gás de combustão a quente H entre as bordas a montante e a jusante 114, 116, pode ser menor ou igual a três vezes o comprimento L2 da saída 94, tomado entre as superfícies a montante e a jusante 104, 106.

[046] As Figuras 6 a 8 são vistas similares às Figuras 3 a 5 e mostram o fluxo de gás de combustão a quente e o fluido de resfriamento do componente de motor 80. Em operação, o fluxo de fluido de resfriamento C entra no orifício de filme 90 através da entrada 92 e atravessa a seção de medição 98 e a seção de difusão 100 antes de sair do orifício de filme 90 na saída 94 em torno da superfície quente 84. Sem a projeção 112, como mostrado nas Figuras 15 a 16, quando o fluxo de gás de combustão a quente H encontra o fluxo de fluido de resfriamento C, o mesmo pode criar um vórtice grande em formato de ferradura que envolve o fluxo de fluido de resfriamento C. A projeção 112 desvia pelo menos uma porção do fluxo de gás de combustão a quente H em torno do fluxo de fluido de resfriamento C emergindo da saída 94. Especificamente, a projeção 112 que se estende a montante da saída 94, atua como um bloco para o fluxo de fluido de resfriamento C saindo do orifício de filme 90, que reduz os efeitos negativos da interação excessiva do fluxo de fluido de resfriamento C com o fluxo de gás de combustão a quente H pelo condicionamento da região imediatamente fora do orifício de filme 90. A projeção 112 condiciona a superfície quente 84 a montante da saída 94, acunhando o fluxo de gás de combustão a quente H lateralmente e exteriormente a partir da superfície quente 84, antes do mesmo atingir a saída 94 para auxiliar o fluxo de fluido de resfriamento C a permanecer ligado à superfície quente 84 do substrato 82, como um filme de fluido de resfriamento a jusante da saída 94 e se misturar menos com o fluxo de gás de combustão a quente H.

[047] A Figura 9 é uma vista transversal esquemática que mostra o componente de motor 80 que tem uma estrutura de condicionamento de fluxo de acordo com uma segunda realização da invenção. O componente de motor 80 e o orifício de filme 90 do componente de motor 80 são substancialmente idênticos ao componente de motor da primeira realização, e elementos semelhantes são indicados por números de referência semelhantes.

[048] O componente de motor 80 é dotado adicionalmente de uma estrutura de condicionamento de fluxo 162 na superfície quente 84 do substrato 82. A estrutura de condicionamento de fluxo 162 está a montante da saída 94 e é configurada para desviar pelo menos uma porção do fluxo de gás de combustão a quente H em torno do fluxo de fluido de resfriamento C que emerge da saída 94. Esse desvio aprimora a eficiência de resfriamento do orifício de filme 90 através da redução da interação do fluxo de fluido de resfriamento C com o fluxo de gás de combustão a quente H

[049] Na realização ilustrada, a estrutura de condicionamento de fluxo 162 compreende uma reentrância na superfície quente 84. Quando vista em corte transversal, como na Figura 9, a reentrância 162 tem uma extremidade a montante 164 e uma extremidade a jusante 166 geralmente definida em relação à direção do fluxo de gás de combustão a quente Η. A reentrância 162 pode ser centralizada em relação à linha central 102 do orifício de filme 90 e pode ser alongada na direção a montante 108.

[050] A reentrância 162 pode ser imediatamente adjacente à saída 94 de modo que a reentrância 162 é contígua com a saída 94. Especificamente, a extremidade a jusante 166 da reentrância 162 pode fundir-se com a saída 94. Em outras realizações da invenção, a reentrância 162 pode ser separada da saída 94, de modo que a reentrância 162 não esteja conectada fisicamente com o orifício de filme 90.

[051] A configuração da reentrância 162 para desviar o fluxo de gás de combustão a quente H em torno do fluxo de fluido de resfriamento C que emerge da saída 94 pode ser pelo menos definida parcialmente pelo formato tridimensional da reentrância 162, que é, por sua vez, definida pelo formato de corte transversal e pela forma plana da reentrância 162. A reentrância ilustrada 162 tem um formato de corte transversal que aumenta em profundidade na direção a jusante 110 em direção à saída 94. A reentrância ilustrada 162 é geralmente triangular, com uma superfície de fundo 168 que se estende na superfície quente 84 e se estende entre a extremidade a montante 164 e a extremidade a jusante 166. A extremidade a montante 164 pode definir uma borda a montante em que a reentrância 162 encontra a superfície quente 84 do substrato 82. A superfície de fundo 168 pode geralmente declinar a partir da borda a montante 164 em direção à saída 94.

[052] As Figuras 10 a 11 são vistas em perspectiva e superior da superfície quente 84 do componente de motor 80 da Figura 9. A reentrância 162 encontra a superfície quente 84 em um perímetro que inclui as extremidades a montante e a jusante 164, 166 da reentrância 162. O perímetro geralmente define a forma plana da reentrância 162, e a forma plana da reentrância 162 pode afunilar na direção a montante oposta à saída 94, de modo que a reentrância 162 possa atuar como um bolso para desviar uma porção do fluxo de gás de combustão a quente H a montante da saída 94 e diminuir a mistura em forma de ferradura. Na realização ilustrada, a forma plana da reentrância 162 é geralmente triangular e é parcialmente definida por bordas laterais 184, 186 da reentrância 162 que se estende a partir da extremidade a jusante 166 e converge para formar a borda a montante 164 que encontra ou mistura na superfície quente 84. A superfície de fundo 168 pode se estender a partir das bordas laterais 184, 186 até superfície quente 84.

[053] É observado que em algumas realizações da invenção, as bordas 184, 186 da superfície 168 podem se misturar com as características circundantes, tais como a superfície quente 84 e/ou a saída 94 em uma transição suave em vez de um ângulo reto ou arredondado. Adicionalmente, as bordas 184, 186 podem ser curvadas ou arqueadas, em vez de linear, como ilustrado.

[054] É compreendido adicionalmente que, para o orifício de filme 90 ilustrado, a reentrância 162 é substancialmente axissimétrica em torno da linha central 102 e centralizada em relação à saída 94. Em outras realizações da invenção, a reentrância 162 pode ser axissimétrica em relação à linha central 102.

[055] A configuração da reentrância 162 para desviar o fluxo de gás de combustão a quente H em torno do fluxo de fluido de resfriamento C emergindo da saída 94 pode ser pelo menos parcialmente definida pelas dimensões da reentrância 162 em relação à saída 94. Em um exemplo não limitativo, a largura máxima W1 da reentrância 162, que é geralmente tomada transversal ao fluxo de gás de combustão a quente H, pode ser menor ou igual a duas vezes a largura W2 da saída 94 à sua a montante 154. Conforme a reentrância ilustrada 162 afunila, a largura máxima W1 pode ser definida na borda a jusante. Aqui, como mostrado na Figura 10, a largura máxima W1 da reentrância 162 é igual à largura a montante W2 da saída 94. Adicionalmente, a profundidade máxima D da reentrância 162 que é geralmente tomada transversal à superfície quente 84, pode ser menor ou igual a duas vezes a largura a montante W2 da saída 94. Conforme a reentrância ilustrada 162 afunila, a profundidade máxima D pode ser definida pela distância máxima entre a superfície de fundo 168 e a superfície quente 84. O comprimento máximo L1 da reentrância 162, que é geralmente tomado paralelo ao fluxo de gás de combustão a quente H entre as extremidades a montante e a jusante 164, 166, pode ser menor ou igual a três vezes o comprimento L2 da saída 94, tomado entre as superfícies a montante e a jusante 104, 106.

[056] As Figuras 12 a 14 são vistas similares às Figuras 9 a 11 e mostram o fluxo de gás de combustão a quente e o fluido de resfriamento do componente de motor 80. Em operação, o fluxo de fluido de resfriamento C entra no orifício de filme 90 através da entrada 92 e atravessa a seção de medição 98 e a seção de difusão 100 antes de sair do orifício de filme 90 na saída 94 em torno da superfície quente 84. Sem a reentrância 162, como mostrado nas Figuras 15 a 16, quando o fluxo de gás de combustão a quente H encontra o fluxo de fluido de resfriamento C, o mesmo pode criar um vórtice grande em formato de ferradura que se envolve em torno do fluxo de fluido de resfriamento C. A reentrância 162 fornece um bolso na superfície quente 84 que desvia pelo menos uma porção do fluxo de gás de combustão a quente H a baixo do plano definido pela superfície quente 84. O fluxo de gás de combustão a quente H que flui na reentrância 162 ainda encontra o fluxo de fluido de resfriamento C emergindo da saída 94, mas as bordas da reentrância limitam a dispersão lateral do fluxo H, impedindo que o vórtice grande em formato de ferradura de se formar. Em vez disso, a reentrância 162 condiciona a região imediatamente fora do orifício de filme 90 a produzir vórtices no fluxo de gás de combustão a quente H que se misturam com menos o fluxo de fluido de resfriamento C. A reentrância 162 condiciona a superfície quente 84 a montante da saída 94 antes de o fluxo de gás de combustão a quente H atingir a saída 94 para auxiliar o fluxo de fluido de resfriamento C a permanecer ligado à superfície quente 84 do substrato 82 como um filme de fluido de resfriamento a jusante da saída 94 e se misturar menos com o fluxo de gás de combustão a quente H.

[057] Em quaisquer das realizações acima, a presente invenção pode ser combinada com formato ou contorno da seção de medição e/ou seção de difusão do orifício de filme 90. As realizações da presente invenção podem também ser aplicadas a orifícios de filme sem uma seção de difusão. As realizações da presente invenção também podem ser aplicadas ao resfriamento de filme tipo ranhura, em cujo caso a saída 94 é fornecida dentro de uma ranhura na superfície quente 84. Adicionalmente, em quaisquer das realizações acima, um revestimento pode ser aplicado para a superfície quente 84 do substrato 82. Parte dos exemplos não limitativos dos revestimentos inclui um revestimento de barreira térmica, um revestimento protetor de oxidação ou combinações dos mesmos.

[058] As várias realizações de dispositivos e métodos relacionados à invenção revelada no presente documento fornecem resfriamento aprimorado para estruturas de motor, particularmente em um componente de turbina que tem orifícios de filme. Uma vantagem que pode ser percebida na prática de algumas realizações dos sistemas descritos é que uma estrutura de condicionamento de fluxo pode ser fornecida a montante da saída de orifício de filme de modo a condicionar o fluxo de fluido de resfriamento emergindo a partir da saída de modo a desviar o fluxo de gás de combustão a quente em torno do fluxo de fluido de resfriamento que emerge a partir da saída, aprimorando desse modo a eficiência de resfriamento.

[059] A descrição por escrito usa exemplos para revelar a invenção, inclusive o melhor modo, e também para permitir a qualquer versado na técnica praticar a invenção, inclusive fazer e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorrem aos versados na técnica. Tais outros exemplos se destinam a ser abrangidos no escopo das reivindicações se os mesmo têm elementos estruturais que não se diferem da linguagem literal das reivindicações ou se os mesmos incluem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

Lista das Partes 10 motor de turbina a gás 12 linha central 14 dianteira 16 traseira 18 seção de ventoinha 20 ventoinha 22 seção de compressor 24 LPC 26 HPC

28 seção de combustão 30 combustor 32 seção de turbina 34 HPT 36 LPT 38 seção de escapamento 40 invólucro de ventoinha 42 pás de ventoinha 44 núcleo 46 invólucro de núcleo 48 bobina HP

50 bobina LP

52 estágio LPC

54 estágio HPC

56 pás LPC

58 pás HPC

60 palhetas LPC

62 palhetas HPC

64 estágio HPT

66 estágio LPT

68 pás HPT

70 pás LPT

72 palhetas HPT

74 palhetas LPT 76 defletor 77 forro de combustor 78 conjunto de reforço 80 componente de motor 82 substrato/parede 84 superfície quente 86 superfície de resfriamento 88 cavidade interior 90 orifício de filme 92 entrada 94 saída 96 passagem 98 seção de medição 100 seção de difusão 102 linha central 104 borda a montante 106 borda a jusante 108 direção a montante 110 direção a jusante 112 projeção 114 borda a montante 116 borda a jusante 118 superfície a montante 120 superfície a jusante 122 borda externa 124 borda lateral 126 borda lateral 128 superfície lateral 130 superfície lateral 132 134 136 138 162 reentrância 164 extremidade a montante 166 extremidade a jusante 168 superfície 184 borda lateral 186 borda lateral 188 200 orifício de filme 202 componente de motor 204 superfície quente 206 superfície de resfriamento 208 entrada 210 saída 212 passagem H fluxo de gás de combustão quente C fluxo de fluido de resfriamento W1 largura de projeção W2 largura da saída L1 comprimento de projeção L2 comprimento de saída T altura de projeção D profundidade de reentrância Reivindicações

Claims

1. COMPONENTE DE MOTOR (80) para um motor de turbina a gás, caracterizado pelo fato de que o motor de turbina a gás gera um fluxo de gás de combustão a quente, que compreende: um substrato (82) que tem uma superfície quente (84) voltada para o fluxo de gás de combustão a quente e uma superfície de resfriamento (86) voltada para um fluxo de fluido de resfriamento, em que o fluxo de gás de combustão a quente define geralmente uma direção a montante e uma direção a jusante em relação à superfície quente (84); um orifício de filme (90) que se estende através do substrato (82) e que tem uma entrada (92) fornecida na superfície de resfriamento (86), uma saída (94) fornecida na superfície quente (84), e uma passagem (96) que conecta a entrada (92) e a saída (94); e uma estrutura de condicionamento de fluxo (112, 162) fornecida a montante da saída (94) sobre a superfície quente (84), em que a estrutura de condicionamento de fluxo (112, 162) é configurada para desviar pelo menos uma porção do fluxo de gás de combustão a quente ao redor do fluxo de fluido de resfriamento que emerge da saída (94).

2. COMPONENTE DE MOTOR (80), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura de condicionamento de fluxo (112, 162) compreende uma plataforma que se afunila na direção a montante no sentido contrário em relação à saída (94).

3. COMPONENTE DE MOTOR (80), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a estrutura de condicionamento de fluxo (112, 162) compreende um corte transversal que aumenta em direção à saída (94).

4. COMPONENTE DE MOTOR (80), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura de condicionamento de fluxo compreende uma reentrância (162) na superfície quente (84).

5. COMPONENTE DE MOTOR (80), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a reentrância (162) está imediatamente adjacente à saída (94).

6. COMPONENTE DE MOTOR (80), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a reentrância (162) é afunilada na direção a montante em sentido contrário em relação à saída (94).

7. COMPONENTE DE MOTOR (80), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura de condicionamento de fluxo compreende uma projeção (112) a partir da superfície quente (84).

8. COMPONENTE DE MOTOR (80), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a projeção (112) está imediatamente adjacente à saída (94).

9. COMPONENTE DE MOTOR (80), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a projeção (112) é afunilada na direção a montante em sentido contrário em relação à saída (94).

10. COMPONENTE DE MOTOR (80), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a passagem (96) compreende uma seção de medição (98) que define a entrada (92) e uma seção de difusão (100) que define a saída (94), e em que uma porção do perímetro da saída (94) definida pela seção de difusão (100) é contígua com uma porção da estrutura de condicionamento de fluxo (112, 162).