BRPI0803661B1

BRPI0803661B1 - turbomáquina de fluxo duplo

Info

Publication number: BRPI0803661B1
Application number: BRPI0803661A
Authority: BR
Inventors: Pierrot Arnaud; Behagel Laurent; Coat Pascal; Rousselin Stephane
Original assignee: Snecma
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2019-08-13
Also published as: RU2478811C2; CA2639209C; US20090056302A1; US8186144B2; DE602008002663D1; JP2009057972A; EP2031233A1; BRPI0803661A2; RU2008135292A; FR2920482B1; JP5050271B2; FR2920482A1; EP2031233B1; CA2639209A1; BRPI0803661B8

Abstract

turbomaquina de fluxo duplo. turbomáquina de fluxo duplo (10), que compreende essencialmente uma ventoinha (14), um compressor (20), uma câmara de combustão (21), uma turbina (22) e um cárter de escapamento (24), caracterizada pelo fato de que ela compreende um compressor auxiliar (48) acionado por um motor stirling (53) montado a jusante da câmara de combustão (21) e que tem uma câmara quente em contato térmico com o fluxo (b) de gases quentes que sai da turbina e uma câmara fria em contato térmico com um fluxo (a) de gases frios gerado pela ventoinha (14) e que escoa em tomo da turbina (22) e do cárter de escapamento (24).

Description

“TURBOMÁQUINA DE FLUXO DUPLO” [0001] A presente invenção se refere às turbomáquinas de fluxo duplo, tais como os turborreatores de avião.

[0002] Em uma turbomáquina, é comum extrair energia para permitir o funcionamento de unidades da turbomáquina. Extrações de energia são, por exemplo, previstas para o acionamento de uma bomba de carburante, a alimentação de atuadores e de computadores, ou ainda para a pressurização de recintos de óleo. No caso de um turborreator de avião, extrações suplementares são habitualmente previstas, por exemplo, para o fornecimento de eletricidade a bordo, a alimentação de atuadores do avião, tais como lemes ou ainda para a pressurização da cabine do avião.

[0003] Essas extrações de energia consistem principalmente em extrações de ar no fluxo de ar que circula dentro do compressor de alta pressão da turbomáquina, e em extrações mecânicas no rotor de alta pressão dessa turbomáquina.

[0004] Ora, essas extrações necessitam de um trabalho suplementar por parte do compressor da turbomáquina, que acarreta um aumento de seu consumo específico de carburante.

[0005] A invenção tem notadamente como objetivo trazer uma solução simples, econômica e eficaz para esse problema, que permite reduzir o consumo específico de carburante das turbomáquinas, e tem como objeto uma turbomáquina equipada com uma fonte de energia que permite evitar uma parte pelo menos das extrações precitadas.

[0006] Ela propõe para isso uma turbomáquina de fluxo duplo, que compreende essencialmente uma ventoinha, um compressor, uma câmara de combustão, uma turbina e um cárter de escapamento, caracterizada pelo fato de que ela compreende um compressor auxiliar acionado por um motor Stirling montado a jusante da câmara de combustão e que tem uma câmara quente em contato térmico com o fluxo de gases quentes que sai da turbina e uma câmara fria em contato térmico com um fluxo de gases frios gerado pela ventoinha e que escoa em torno da turbina e do

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2/7 cárter de escapamento.

[0007] O motor térmico de ciclo de Stirling, correntemente chamado “motor Stirling”, permite tirar partido da diferença de temperatura entre o fluxo de gases quentes, ou fluxo primário, que sai da turbina e o fluxo de gases frios, ou fluxo secundário, gerado pela ventoinha, para produzir energia mecânica. Esse tipo de motor se caracteriza por um rendimento muito bom da ordem de 40%, por uma confiabilidade muito boa e uma grande longevidade.

[0008] O ciclo teórico de funcionamento de um tal motor compreende quatro fases sucessivas: uma fase de aquecimento isocórico seguida por uma fase de expansão isotérmica do fluido de trabalho dentro da câmara quente, e depois uma fase de resfriamento isocórico seguida por uma fase de compressão isotérmica do fluido de trabalho dentro da câmara fria.

[0009] A energia mecânica produzida pelo motor Stirling serve para o acionamento de um compressor de ar auxiliar destinado a fornecer ar sob pressão a componentes da turbomáquina, de maneira a reduzir as necessidades em extrações de ar no fluxo de ar que circula dentro do compressor de alta pressão dessa turbomáquina.

[0010] Em um modo de realização preferido da invenção, o motor Stirling é fixado no cárter de turbina ou no cárter de escapamento, o que permite beneficiar de um espaço livre grande entre os veios de escoamento dos fluxos primário e secundário para o alojamento do motor Stirling e do compressor auxiliar. Essa zona se revela ainda mais apropriada visto que a diferença de temperatura entre o fluxo primário de gases quentes e o fluxo secundário de gases frios é aí de cerca de 450 graus em regime de funcionamento normal, o que constitui um gradiente térmico suficiente para permitir um bom funcionamento do motor Stirling.

[0011] De acordo com uma outra característica da invenção, o motor Stirling compreende um trocador de calor alojado no fluxo de gases frios e um trocador de calor alojado no fluxo dos gases quentes, esses trocadores compreendendo de preferência aletas internas e/ou externas.

[0012] Esses trocadores permitem maximizar as trocas de calor entre o fluxo de

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3/7 gases frios, respectivamente gases quentes, e um fluido de trabalho contido dentro do motor Stirling, para otimizar os desempenhos desse último.

[0013] No modo de realização preferido da invenção, a saída do compressor de ar auxiliar é ligada a meios de ventilação ou de pressurização de um componente da turbomáquina por um conduto equipado com uma válvula comandada ou autônoma de duas posições, que conecta os meios de ventilação ou de pressurização do componente ou à saída do compressor auxiliar, ou a meios de extração de ar no compressor da turbomáquina.

[0014] Assim, quando a turbomáquina funciona em regime baixo, o gradiente térmico entre os gases quentes e os gases frios é insuficiente para permitir um bom funcionamento do motor Stirling, e o resfriamento ou a pressurização do componente da turbomáquina é assegurado de maneira clássica por uma extração no fluxo de ar do compressor da turbomáquina. É somente quando o regime atinge um nível suficiente para permitir um bom funcionamento do motor Stirling que a válvula comandada báscula para sua posição de conexão dos meios de ventilação ou de pressurização na saída do compressor auxiliar.

[0015] Vantajosamente, a válvula é comandada por um bloco eletrônico de controle, por exemplo a partir de uma medição da temperatura dos gases que passam dentro da turbina.

[0016] Em variante, a válvula é uma válvula de chapeleta autônoma calibrada no nível de pressão exigido para as ventilações e pressurizações da turbomáquina.

[0017] A invenção será melhor compreendida e outros detalhes, vantagens e características dessa última aparecerão mais claramente com a leitura da descrição seguinte feita a título de exemplo não limitativo, em referência aos desenhos anexos nos quais:

- a figura 1 é uma vista esquemática em corte axial de uma turbomáquina de acordo com a invenção;

- a figura 2 é uma vista esquemática em corte axial e em escala ampliada da turbomáquina da figura 1.

[0018] A figura 1 representa um turborreator de fluxo duplo 10 e que compreende

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4/7 uma nacela 12 na qual uma roda de ventoinha 14 é montada a montante de um corpo de motor 16 que compreende essencialmente, de a montante para a jusante, um compressor 20, uma câmara de combustão 21, uma turbina 22, um cárter de escapamento 24 e um cone de ejeção 26.

[0019] A roda de ventoinha 14 é acionada em rotação pela turbina 22 do turborreator, de um modo bem conhecido pelo profissional. Durante o funcionamento do motor, a ventoinha 14 gera um fluxo de ar secundário A, que escoa para trás em torno do turborreator em um conduto de ventoinha 18, e que fornece uma parte do impulso do motor. Uma parte do ar que entra no motor forma um fluxo primário B que alimenta o compressor de entrada 20 do turborreator, e depois é misturado com carburante dentro da câmara de combustão 21. Os gases de combustão que saem da câmara de combustão acionam a turbina 22 e depois são ejetados entre duas paredes coaxiais 32, 34 do cárter de escapamento 24 e saem do turborreator escoando para isso ao longo do cone de ejeção 26.

[0020] O conduto de ventoinha 18 é formado por duas paredes coaxiais substancialmente cilíndricas, respectivamente interna 28 e externa 30. A parede interna 28 do conduto de ventoinha é geralmente chamada de I.F.D. (Inner Fan Duct) enquanto que a parede externa 30 é geralmente chamada de O.F.D. (Outer Fan Duct) e é circundada pela nacela 12.

[0021] As duas paredes coaxiais, respectivamente interna 32 e externa 34, do cárter de escapamento 24 são ligadas por braços radiais estruturais 36.

[0022] Cada braço radial 36 do cárter de escapamento 24 liga as paredes coaxiais 32, 34 desse cárter às paredes cilíndricas 28, 30 do conduto de ventoinha 18, de modo que uma parte 40 do braço 36 intercepta o fluxo primário B enquanto que uma outra parte 42 desse braço intercepta o fluxo secundário A.

[0023] O braço radial 36 visível na metade superior da figura 1 compreende um motor de ciclo de Stirling de tipo Beta. Esse motor compreende, de maneira clássica, uma câmara quente e uma câmara fria que são ligadas para a circulação de um fluido de trabalho contido dentro dessas câmaras e deslocado de uma câmara para a outra pelo movimento de um êmbolo deslocador.

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5/7 [0024] A câmara quente é disposta na parte 40 do braço 36 que intercepta o fluxo primário B de ar quente, enquanto que a câmara fria é disposta na parte 42 do braço 36 que intercepta o fluxo secundário A de ar frio.

[0025] Aletas 38 são vantajosamente formadas na superfície externa e/ou interna dos braços radiais 36 ao nível das partes 40 e 42 desses braços, a fim de otimizar as trocas térmicas entre o fluxo B de ar quente e o fluido de trabalho contido dentro da câmara quente alojada na parte 40 do braço radial por um lado, e entre o fluxo A de ar frio e o fluido de trabalho contido dentro da câmara fria alojada na parte 42 desse braço.

[0026] No decorrer de sua circulação dentro das câmaras fria e quente, o fluido de trabalho descreve um ciclo termodinâmico de Stirling composto por quatro fases sucessivas no decorrer das quais ele é alternadamente resfriado, comprimido, aquecido e depois expandido, acionando assim em translação um êmbolo de trabalho.

[0027] Os êmbolos deslocador e de trabalho são alojados dentro de uma câmara de trabalho ligada às câmaras quente e fria, e disposta em um espaço 44 correntemente chamado de “interveio”, compreendido entre os veios de escoamento dos fluxos primário B e secundário A, quer dizer entre a parede externa 34 do cárter de escapamento e a parede interna 28 que delimita o conduto de ventoinha, de modo que essa câmara de trabalho não está em contato térmico com os fluxos primário e secundário. A câmara de trabalho poderia também ser fixada na face radialmente interna da parede interna 32 do cárter de escapamento, com a condição que as trocas de calor com o fluxo primário em contato com essa parede 32 sejam limitados por um meio de isolamento térmico.

[0028] O êmbolo de trabalho do motor Stirling forma ou aciona um órgão móvel de um compressor de ar auxiliar, alojado no espaço interveio 44, e destinado a alimentar com ar sob pressão componentes da turbomáquina para assegurar, por exemplo, a ventilação ou a pressurização dos mesmos.

[0029] Na figura 2 é representada esquematicamente a conexão da saída de ar do compressor auxiliar 48 com a entrada 46 de um circuito de distribuição de ar sob

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6/7 pressão (não visível) a componentes da turbomáquina.

[0030] Extrações 50, 52 no fluxo de ar que escoa dentro do compressor de alta pressão 20 da turbomáquina são dispostas para assegurar a alimentação do circuito de distribuição de ar sob pressão durante as fases de funcionamento do turborreator onde a diferença de temperatura entre os gases frios do fluxo secundário A e os gases quentes do fluxo primário B é pequena demais para permitir que o motor Stirling forneça uma potência mecânica suficiente para o acionamento do compressor auxiliar 48.

[0031] Uma válvula 54 de duas posições permite conectar alternativamente a entrada do circuito de distribuição de ar à extração 50 no quarto estágio do compressor de alta pressão 20, durante as fases de partida do turborreator, e à extração 52 no nono estágio do compressor de alta pressão 20, em regime de cruzeiro enquanto a diferença térmica entre os fluxos primário e secundário não for suficiente para permitir o acionamento do compressor auxiliar 48 pelo motor Stirling ou em caso de falha do motor Stirling ou do compressor auxiliar.

[0032] Uma válvula 56 de duas posições permite conectar alternativamente a entrada do circuito de distribuição de ar à válvula 54 quando o turborreator se encontra em uma das situações de funcionamento precitadas, e ao compressor auxiliar 48 quando a diferença térmica entre os fluxos primário e secundário atinge um nível que permite que o motor Stirling acione de modo com alto rendimento o compressor auxiliar 48.

[0033] As válvulas 54 e 56 são comandadas por um bloco eletrônico de controle de tipo FADEC, a partir de medições de temperatura dos gases quentes e frios que escoam dentro da turbomáquina, na proximidade do motor Stirling.

[0034] Alternativamente, as válvulas poderiam ser comandadas a partir de medições de pressão do ar fornecido pelas extrações 50, 52 e pelo compressor auxiliar 48.

[0035] As válvulas poderiam também ser autônomas, e calibradas nos níveis de pressões necessárias para a alimentação do circuito de distribuição de ar sob pressão.

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7/7 [0036] Esse circuito de distribuição de ar assegura, por exemplo, a pressurização de capôs de recintos de mancais da turbomáquina, a ventilação do primeiro estágio de um distribuidor de baixa pressão, e a purga de uma cavidade situada a jusante de um disco de turbina de alta pressão.

[0037] Para fazer isso, o compressor auxiliar 48 fornece uma vazão de cerca de 1,5 kg/s de ar a uma pressão relativa da ordem de 0,3 bars (30 kPa) em regime de funcionamento normal. Esse compressor se apresenta sob a forma de um cilindro de cerca de 100 mm de diâmetro para aproximadamente 120 mm de comprimento.

[0038] O acionamento desse compressor exige que uma potência mecânica de cerca de 10 kW lhe seja transmitida pelo motor Stirling, esse motor se apresentando grosseiramente sob a forma de um cilindro de cerca de 100 mm de diâmetro para aproximadamente 200 mm de comprimento.

[0039] De maneira geral, a invenção permite, portanto, limitar o recurso a extrações no fluxo de ar útil para a propulsão que escoa dentro do compressor do turborreator, graças a um compressor auxiliar acionado por um motor Stirling capaz de converter energia térmica contida no fluxo primário de gases quentes que provém da câmara de combustão do turborreator em energia mecânica.

[0040] A invenção não está evidentemente limitada aos turborreatores de avião e pode ser aplicada a qualquer tipo de turbomáquina de fluxo duplo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Turbomáquina de fluxo duplo (10), que compreende essencialmente uma ventoinha (14), um compressor (20), uma câmara de combustão (21), uma turbina (22) e um cárter de escapamento (24), a turbomáquina sendo caracterizada pelo fato de que compreende um compressor de ar auxiliar (48) acionado por um motor Stirling (53) montado a jusante da câmara de combustão (21) e que tem uma câmara quente em contato térmico com o fluxo (B) de gases quentes que saem da turbina e uma câmara fria em contato térmico com um fluxo (A) de gases frios gerado pela ventoinha (14) e que escoa em torno da turbina (22) e do cárter de escapamento (24).
2. Turbomáquina (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o motor Stirling (53) é fixado no cárter de turbina ou no cárter de escapamento (24).
3. Turbomáquina (10) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o motor Stirling (53) compreende um trocador de calor (42) alojado no fluxo (A) de gases frios e um trocador de calor (40) alojado no fluxo (B) dos gases quentes.
4. Turbomáquina (10) de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que os trocadores de calor (40, 42) compreendem aletas (38) internas e/ou externas.
5. Turbomáquina (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a saída do compressor de ar auxiliar (48) é ligada a meios de ventilação ou de pressurização de um componente da turbomáquina por um conduto equipado com uma válvula comandada ou autônoma de duas posições (56), que conecta os meios de ventilação ou de pressurização do componente ou à saída do compressor auxiliar, ou a meios (50, 52, 54) de extração de ar no compressor (20) da turbomáquina.
6. Turbomáquina (10) de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a válvula (56) é comandada pela temperatura dos gases que passam dentro da turbina (22).

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7. Turbomáquina (10) de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizada pelo fato de que a válvula (56) é comandada por um bloco eletrônico de controle.
8. Turbomáquina (10) de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a válvula (56) é uma válvula de chapeleta autônoma calibrada no nível de pressão exigido para as ventilações e pressurizações da turbomáquina.