Brevet FR2094033A1 — publié le 19720204

La présente invention se rapporte en général aux appareils à fluide élastique, et concerne plus particulièrement les constructions d'ailettes et aubes refroidies par circulation de gal. pour turbine à gaz. On peut améliorer le rendement d'une turbine à gaz en élelent sa température de fonctionnement. Toutefois, les températures plus élevées de fonctionnement de turbine créent des problèmes de construction, et exigent des matériaux capables de supporter ces températures plus élevées. Les matériaux actuels ne permettent que des températures limitées de fonctionnement; les nouvelles matières qui conviendraient sont onéreuses, Par suite, divers agencements de refroidissement des éléments du parcours d'écoulement ont été conçus pour prolonger la limite supérieure de température de fonctionnement. Les agencements de refroidissement permettent à la matière constituant l'ailette de rester à la température qu'elle est capable de supporter, sans défaillance prématurée due au fluage excessif, au choc thermique et à la corrosion, La présente invention a principalement pour objet de réaliser une construction simple d'ailette, efficacement refroidie par un gaz. A cette fin, l'invention réside dans une construction d'ailette creuse, refroidie par gaz, pour turbine à gaz, pourvue de moyens destinés à diriger un gaz de refroidissement sous pression dans l'intérieur des ailettes, celles-ci présentant des orifices dans les régions de leur bord de fuite, afin dren décharger le gaz de refridissement, construction caractérisée par le fait que, à l'intérieur de chaque ailette, est disposée une chemise qui présente sur sa surface extérieure un certain nombre de saillies destinées à former un intervalle étroit entre la chemise et la surface interne de l'ailette, et qui est pourvue d'une série d'orifices radialement espacés afin de décharger le gaz de refroidissement de ltintérieur de la chemise dans le gaz compris entre cette dernière et la surface interne de l'ailette L'écoulement de l'air de refroidissement dans ces passages assure un refroidissement efficace par suite de la grande vitesse d'écoulement produite par l'intervalle et de la turbulence créée par les saillies. Le terme "ailette1,, utilisé dans le présent mémoire descrip- tif, est un terme générique se-référant aux éléments de turbine et/ou de compresseur appelés d'une façon générale ajutages, ai- lettes, aubes, etc. et habituellement mais non nécessairement de coupe transversale aérodynamique. L'invention ressortira mieux de la description qui va suivre d'une forme préférée de réalisation représentée, à titre d'exemple seulement, aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue isométrique d'un groupe segmentaire en arc de cercle, d'ailettes de stator de turbine pourvues de chemises encastrées de refroidissement construites selon la présente invention la figure 2 est une vue isométrique, à plus grande échelle, de l'une des chemises encastrées d'ailettes; la figure 3 est une vue, en coupe radiale, montrant l'une des chemises encastrées, disposée dans une ailette de stator; la figure 4 est une vue, en coupe transversale, suivant la ligne IV-IV de la figure 3; la figure 5 est une vue fragmentaire de détail, en coupe, d'un agencement d'évent modifié pour l'ailette;; la figure 6 est une vue fragmentaire de détail, en coupe, d'une chemise encastrée modifiée, pourvue d'ajutages d'échappement qui en font intégralement partie, et la figure 7 est une coupe transversale similaire à la figure 4 mais montrant une ailette pourvue d'une chemise de refroidissement modifiée. En référence aux dessins, la figure 1 représente un groupe segmentaire en arc-de-cercle d'ailettes creuses 10 de stator, pourvu d'une base commune ou segment interne cintré 11, et d'un segment cintré extérieur commun 12 de déflecteur d'étanchéité. Le segment extérieur 12 a une forme générale de botte présentant une paroi de fond 13, des parois latérales 14 et des parois d'extrémités 15. Les parois 14 et 15 présentent des épaulements internes 16, ét les parois latérales 14 sont pourvues de languettes ou saillies externes 17 qui sont reçues dans des gorges de la couronne d'aubes de stator de .turbine (nonreprQ ':;'' afin de supporter le segment cintré dans la turbine de la manière bien connue des techniciens. Afin de refroidir les ailettes 10 d'une manière dont la description plus détaillée va suivre, chaque-ailette 10 est pourvue d'une chemise encastrée 21 de refroidissement. L'extrémité extérieure de chaque chemise 21 est ouverte, et présente -un rebord périphérique extérieur 22 qui est serré entre une plaque de support 24 de la paroi de fond 13 et une plaque de recouvrement 25 fixée à la plaque de support 24 au moyen de vis 26. Un fluide de refroidissement, tel que l'air, peut être introduit à l'intérieur de chaque chemise 21 au moyen d'une ouverture 27- située dans un raccord fileté 28 d'une partie 29 en forme générale -de boîte rec tangulaire, de la plaque de recouvrement 25. L'air de refroidissement peut etre fourni par un compresseur ou toute autre source convenable. Ainsi que le montrent plus clairement les figures 2 et 4, la chemise creuse 21 est de-la même forme générale que l'intérieur de l'ailette 10. Elle présente un fond fermé et une extrémité supérieure ouverte, le rebord périphérique extérieur 22 se situant à la partie supérieure de la chemise encastrée0 Les côtés 23 de la chemise ont une forme générale trapézoidale. La chemise présente un bord d'attaque disposé à l'intérieur du bord d'attaque de l'ailette et un bord de fuite disposé à l'intérieur du bord de fuite de cette dernière. Le bor4d'attaque est sensiblement plus large que le bord de fuite, et les deux bords ont une coupe transversale arrondie. En général, la chemise est- contigue à la surface intérieure de l'ailette creuse. Ainsi que le montre plus clairement la figure 2, des saillies ou protubérances 31 sont formées sur la surface extérieure des minces parois ?3 de la chemise métallique 21. Une série d'orifices d'éjection radialement espacés 32 est formée le long d'un bord de la chemise creuse 21. Une chicane 33 est disposée au fond de la chemise, lequel est closO La chemise encastrée 21 peut etre construite en une tôle relativement mince par un procédé normalisé de formage du métal, ainsi qu'indiqué à la figure 7 à laquelle la chemise présente des parties chevauchantes 34 que travarsent les orifices 32. Les saillies 31 peuvent être intégralement formées avec la chemise au cours du procédé de formage. De préférence, la chemise encastrée 21 est fabriquée au moyen d'un procédé de formage électrolytique (placage brut sur mandrin). La figure 2 illustre une chemise de nickel pur fabriquée par procédé de formage électrolytique, et pourvue de saillies 31 suffisantes pour régler l'intervalle compris entre la paroi interne de l'ailette et la chemise. Cette chemise particulière a une épaisseur de l'ordre de 0,32 mm. Toutefois, le procédé de formage électrolytique permet d'obtenir facilement une épaisseur variable de paroi de chemise, de sorte que toute épaisseur désirée peut être réalisée. il est également possible de former intégralement des aautages 35 (figure 6) au bord d'attaque et ailleurs pour un bon réglage de circulation d'air de refroidissement. Le procédé de formage électrolytique constitue une technique de fabrication économique au moyen d'un outillage peu coûteun il permet une modification considérable de la configuration des saillies (agencement et nombre et de la géométrie d'éjection des ajutages, à un prix de revient minimal. Ainsi que le montre clairement la figure 3, la chemise encastrée 21 s'étend pratiquement sur la totalité de la profondeur de l'ailette creuse 10. L'air de refroidissement est introduit à l'intérieur de la chemise par l'ouverture 27 du raccord fileté 28. Si l'on désire fournir l'air de refroidissement individuellement à chaque ailette, une connexion convenable peut Qtre effectuée au raccord 28 au moyen d'un raccord 36 vissé sur ce dernier. Une bague filetée 37 située sur le raccord 36 peut être serrée contre une rondelle d'étanchéité 38 disposée entre ce collier 37 et une plaque de recouvrement 39 fixée à une plaque de support 40 au moyen de boulons 41. La plaque de support 40 peut être fixée aux épaulements 16 du segment extérieur 12du déflecteur, par soudure électrique par exemple. On peut ainsi réaliser un réglage individuel de l'air fourni à chaque ailette, ce qui -permet d'introduire de l'air supplémentaire dans toutes ailettes susceptibles- de chauffer davantage que les autres dans un groupe. Lorsque le réglage individuel de l'air de refroidissement des ailettes n'est pas désiré, on peut utiliser la plaque de recouvrement 39 pour constituer une chambre de pression 42 à l'iF térieur du segment extérieur 12 de déflecteur. La chambre de pression 42 est commune à toutes les ailettes d'un groupe segmentaire et elle fournit l'air à ces ailettes. La chambre-de pression 42 peut être alimentée en air au moyen d'une chambre disposée entre la couronne d'aubes ou enveloppe intérieure de la turbine et l'enveloppe extérieure de cette dernière, de la manière décrite dans le brevet aux Etats Unis 3 427 000 en date du Il Février 1969, au nom de A.J. Scalzo et concédé à la Westinghouse Electric Corporation. Ainsi que le montre plus clairement la figure 4, l'ailette de stator 10 a une forme aérodynamique présentant une région 44 de bord d'attaque, une région 45 de bord de fuite, et une région de largeur médiane 46. Le refroidissement le plus efficace de toute structure est réalisé le plus efficacement en maintenant un fort débit par unité de surface et un degré suffisant de turbulence. Ce résultat est-obtenu d'une façon générale en formant à l'intérieur de l'ailette des passages internes 47 d'écoulement d'air de refroidissement. Plus particulièrement, l'air de refroidissement est dirigé dans l'intérieur de la chemise métallique encastrée à parois minces, 21, et se décharge dans les zones critiques de l'ailette, principalement les régions du bord d'attaque 44 et du bord de fuite 45. La chemise entièrement profilée permet la proche disposition de la série d'orifices d'éjection 32, dirigés sur la surface interne du bord d'attaque, permettant ainsi le refroidissement par choc d'éjection de cette région. L'air est ensuite dirigé dans les étroits passages 47 exactement déterminés. par les saillies 31 et l'action de conformation des mincies parois 23 de la chemise encastrée 21. La circulation d'air dans ces passages 47 assure un refroidissement efficace par suite du fort débit par unité de surface créé par l'intervalle et la turbulence produite par les saillies. La diyision correcte de circulation est obtenue -par la variation et la disposition du nombre de saillies le long de la surface interne du côté pression 8 et du côté aspiration 49 de l'ailette. A l'extrémité 50 des passages, côté pression et aspiration, la circulation de refroidissement se rassemble et se décharge dans la région 45 du bord de fuite. La figure 4 indique la décharge par une fente 51 formée dans le bord de fuite. On obtient ainsi un refroidissen ent par convection de la totalité de la région du bord de fuite, de la manière la plus efficace, car le rapport maximal de pression, et par suite la circulation maximale dtair de refroidissement, est obtenu par la décharge à la pointe exacte du bord de fuite. La décharge axiale renforce également le rendement de la turbine. Un autre agencement de décharge de bord de fuite est représenté à la figure 5. Dans cette forme de construction, l'air de refroidissement est déchargé par des orifices 52 de bord de fuite situés du côté pression de la région 45. Un refroidissement par convection est obtenu au voisinage des orifices 52, la décharge assurant une pellicule de refroidissement le long du reste du côté pression 53 du bord de fuite. La chemise encastrée, entièrement profilée, à parois minces, que l'on vient de décrire présente de nombreux avantages. La plupart des ailettes de stator de turbine sont constituées de pièces coulées creuses présentant des variations considérables de tolérance de noyau. Ces variations se rencontrent également dans d'autres procédés de fabrication.L'action de conformation de la présente chemise encastrée réduit ou élimine la nécessité de tolérances serrées de noyau, car la combinaison de la paroi mince et de la pression différentielle de l'air de refroidissement repousse les parois de la chemise extérieurement jusqu'à ce que les saillies portent contre la surface interne de l'ailette. C'està- dire que l'innovation saillies-aroi mince permet à la chemise de changer de forme pour absorber les variations excessives de tolérances, et par suite, suivre le contour de toute surface courbe pour laquelle elle est construite.On réalise ainsi sur la largeur médiane de l'ailette une tolérance de conduit 54 qui est déterminée par la hauteur des saillies, facilement contr8lée en cours de fabrication, selon laprécédente description0 La chemise encastrée entièrement profilée assure une distance minimale 56 (figure 6) de cible grâce à sa liberté de forme, contrairement aux agencements antérieurs utilisant un tube local encastré. Elle assure un refroidissement uniforme autour de la largeur médiane 46 de l'ailette en raison de la circulation guidée produite par la totalité de la chemise encastrée. Elle assure également un refroidissement perfectionné dans la région 50 de bord de fuite, du fait des plus grandes vitesses d'approche. En outre, la chemise encastrée entièrement profilée permet l'installation d'orifices de purge d'échappement 57 n'importe en quel endroit le long de sa surface afin d'éliminer tous points chauds chroniques qui peuvent se rencontrer dans la paroi d'ailette. Des orifices de purge 58 peuvent être formés dans la région du bord de fuite de la chemise afin de réduire l'augmentation de la température de l'air de refroidissement avant que celui-ci ne pénètre dans les orifices ou fentes de bord de fuite de l'ailette. Ceci permet d'améliorer le refroidissemennt de la région du bord de fuite de l'ailette du fait de la température inférieure de l'air de refroidissement. REVENn I CATI ONS lo Construction d'ailette creuse refroidie par gaz, pour turbine à gaz pourvue de moyens destinés à diriger un gaz de refroidissement sous pression à l'intérieur des ailettes, cellesci étant pourvues d'orifices dans leurs régions de bord de fuite pour décharger le gaz de refroidissement de ces dernières, construction caractérisée par le fait que, à l'intérieur de chaque ailette, est disposée une chemise présentant un certain nombre de saillies sur sa surface extérieure afin de former un étroit intervalle entre la chemise et la surface interne de l'ailette, et pourvue d'une série d'orifices radialement espacés pour décharger le gaz de refroidissement de l'intérieur de la chemise dans le gaz compris entre celle-ci et la surface interne de l'ailette. 2. Construction d'ailette selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les orifices de décharge du gaz de refroi pissement dr la chemise sont agencés dans la zone du bord d'atta- que de l'ailette 3. Construction d'ailette selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que la chemise est pourvue d'orifices pour décharger le gaz de refroidissement dans la région de largeur médiane de l'ailette. 4. Construction d'ailette selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée par le fait que la chemise est pourvue d'orifices pour décharger le gaz de refroidissement dans la région du bord de fuite de l'ailette. 5. Construction d'ailette selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 les ailettes étant des ailettes de statoXllivi- sées en groupes cintrés, chaque groupe étant pourvu de segments interne et externe communs de déflecteur d'étanchéité, construction caractérisée par le fait que le segment extérieur de déflecteur de chaque groupe est construit de manière à former une chambre de pression qui fournit le fluide de refroidissement aux chemises encastrées à l'intérieur des ailettes du groupe. 6. Construction d'ailette selon la revendication 5, caractérisée par le fait que la chemise dans chaque ailette est fermée à sa partie inférieure et ouverte en haut, avec un rebord périphérique extérieur monté sur Ilextrémité radialement extérieure de l'ailette.