Brevet FR2086406A1 — publié le 19711231

- 1 - L'invention se rapporte à une construction d'une turbine et en particulier à un système amélioré de refroidissement dans une turbine. Tandis que jusqu'à présent l'aircfe refroidissement avait été dirigé vers les ailettes de la turbine pour refroidir celles-ci, et que l'air du compresseur ait été utilisé à cet effet, l'invention a pour but de perfectionner ce système de refroidissement connu. Le nouveau système de refroidissement d'une turbine est arrangé de façon à obtenir des températures basses de l'agent de refroidissement avec un minimum de puissance pour obtenir un rendement maximum de la machine. L'agent de refroidissement est détendu à travers des buses dans un plan tangentiel parallèle à la direction de rotation du disque de la turbine. Ce système réalise une réduction de la quantité de l'agent de refroidissement, une augmentation du rendement de la turbine et une réduction des fuites dans des moyens d'étanchéi-té du premier disque. La quantité de l'agent de refroidissement est réduite parce que la température de 1'air de refroidissement est diminuée. Le rendement de la turbine est augmenté parce que le disque n'a pas besoin de pomper l'agent de refroidissement à la vitesse de rotation de la turbine pour avoir un courant à travers les trous dans le disque. Les fuites dans les myens d'étanchéité du premier disque sont réduites parce que le rapport des pressions à travers le dispositif d'étanchéité est réduite. La buse de prétourbillemertt accélère le courant d'air et le dirige dans une direction tangentielle approximativement parallèle à la rotation du premier disque permettant la température et la pression plus basses. La diminuation des quantités de l'air de refroidissement et des fuites d'air en fournissant un air de refroidissement à des températures et des pressions plus basses permet de maintenir plus d'air dans le courant principal delà turbine. Un mode de réalisation de 1'invention est décrit ci-après avec référence aux dessins dans lesquelsi La figure 1 est une vue en coupe à travers un moteur à turbine montrant un diffuseur, une chambre à combustion 71 13407 2086406 - 2 - et une turbine comprenant le système de refroidissement selon 1'invention. La figure 2 est une vue élargie le long de la ligne 2-2 de la figure 1,montrant des pales qui dirigent le cou-5 rant de refroidissement vers le premier disque de la turbine. La figure 3 est un diagramme de vitesses montrant la vitesse relative de l'air quittant les pales et du disque. Suivant la figure 1, un diffuseur annulaire 2 décharge dans une chambre à combustion annulaire 4 comprenant plu-10 sieurs brûleurs 6 disposés circonférentiellement. Un compresseur (pas représenté) décharge de l'air da» une entrée annulaiœ du diffuseur 2, en provenance d'un compresseur comme représenté dans le brevet des E.U.A. No. 3.301.526. La paroi extérieure 8 de la chambre à combustion annulaire continue de la paroi extérieure du dif-15 fuseur 2. Des goupilles 10 sont prévues autour du moteur à plusieurs endroits où la paroi extérieure du diffuseur et la paroi de la chambre à combustion 8 se rencontrent pour fixer 11extrémité avant de chaque brûleur 6. Un bras 12 s'étend vers l'avant à partir de chaque brûleur et comprend des ouvertures à travers lesquelles une 20 goupille est insérée qui est fixée à la paroi extérieure de la chambre à combustion. La-paroi intérieure 14 de la chambre à combustion continue de la paroi intérieure du diffuseur 2. La paroi intérieure 14 a une paroi coopérante 15 qui forme un passage annulaire 17 avec la paroi 14, le passage 17 s'étendant à partir d'un point 25 adjacent à la sortie du diffuseur vers la partie avant de la turbine 11. Des moyens d'espacement 13 sont utilisés pour espacer les parois 14 et 15. L'extrémité arrière de la paroi extérieure 8 de la chambre à combustion est fixée à la"paroi extérieure 16 de la 30 tubine 11. Plusieurs pales 18 s'étendent ■wers l'intérieur à partir de la paroi exlérieure 16 et sont fixées avec leurs extrémités intérieures à un anneau composé 20. Cet anneau composé 20 est fixé à la partie arrière de la paroi intérieure 14par une paroi solide 28. L'anneau 20 comporte un moyen d'étanchéité à labyrinthe 22 s'éten-35 dant vers l'arrière en forme d'un élément cylindrique et ayant des projections dirigées vers l'intérieur pour un but qui sera décrit ci-après. Un conduit annulaire 24 est disposé radialement vers l'intérieur à partir de l'élément cylindrique 22, s'étenda^iale- 71 13407 -2086406 - 3 - ment et a un passage 26. Le passage 26 comporte plusieurs pales 27 qui reçoivent l'air en direction axiale et tournent cet air d'un angle prédéterminé pour un but qui sera décrit ci-après. La partie avant du conduit 24 est fixée à son 5 bord, extérieur à l'anneau 20 par un collier s'étendant vers l'ex-térièur et est attaché à son bord intérieur à la paroi 15 par une paroi solife. 30. La paroi solide 30 a également un second moyen d'étanchéité à labyrinthe s'étendant vers l'arrière en une position radialement à l'intérieur du conduit 24. Le moyen d'étan-10 chéité a la forme d'un élément cylindrique et comprend des projections s'étendant vers l'intérieur pour un but qui sera décrit ci-après. La paroi solide 28 et la paroi solide 30 forment une connexion annulaire entre l'extrémité arrière du passage 17 et l'entrée au passage 26. 15 La partie arrière de chaque brûleur est supportée par des colliers 3 et 5 qui s'étendent vers l'avant de la partie a-vant de la turbine 11. Ces colliers sont ad^tés pour engager des pièces coopérantes fixées à la partie arrière de chaque brûleur. Le brûleur peut être fixé avec n'importe quel moyen approprié. 20 Immédiatement en aval des pales 18 se trouve le premier étage d'un rotor de turbine comprenant un disque 40 de rotor avec des ailettes 42 montées au rotor. Le disque 40 du rotor est monté sur un collier 41 qui s'étend à partir d'un arbre 43 supporté pour rotation dans le moteur. Des moyens d'étanchéité pour 25 l'arbre sont prévus aux endroits nécessaires. Les ailettes peuvent être attachées au rotor par n'importe quel moyen désiré permettant le courant d'un fluide à travers les ailettès (3a direction du courant est indiquée par la flèche dans la Fig. 1). Une plaque avant 44 est fixée au disque 40 et aux ailettes 42, et une plaque ar-30 rière 46 est fixée au disque 40 et aux ailettes 42. Un collier circulaire 48 s'étend vers 1'avant de la plaque avant 44 et son exirémité libre est disposée entre le moyen d'étanchéité à labyrinthe 22 et la paroi extérieure du conduit annulaire 24. Cette extrémité libre a une surface d'étanchéité sur son côté extérieur 35 qui coopère avec les projections de l'élément cylindrique 22. Un coll\er similaire 49 s'étend vers l'avant à partir du disque 40 du rotor, et a un côté de son extrémité libre adjacent aux projections du moyen d'étanchéité à labyrinthe 32. Ces colliers 48 et 49 71 13407 2086406 - 4 - sont espacés de l'anneau 24 et forment entre eux un passageannu-laire rotatif 50. Pluaeurs trous 52 s'étendent du passage 50 entre la connexion des colliers 48 et 49 avec le disque 40 du rotor vers 5 l'espace formé entre les plaques de côtés 44 et 46. Des trous 54 s'âendent du passage 50 entre les colliers 48 et 49 à travers le disque vers un point au côté arrière du disque. Des trous (pas représentés) s'étendent dans chaque ailette 42 à travers la plateforme pour permettre l'écoulement du fluide de l'espace entre les 10 plaques de côtés 44 et 46 vers l'intérieur des ailettes 42. Le fluide se trouvant dans les ailettes 42 peut s'écouler à travers des trous 56 situés dans le bord arrière des ailettes. En aval du premier étage du rotor de la turbine se trouve un deuxième étage comprenant un disque 60 et des ailet-15 tes 62. Le disque 60 est également fixé au collier 41.Un élément de renforcement 64 relie le bord extérieur de chaque disque du rotor et comporte plusieurs projetions s'étendant vers l'extérieur pour former un moyen d*étanchéité à labyrinthe, comme décrit ci-après. Une chambre annulaire 70 se trouve entre les disques 40 et 20 60 et l'élément de renforcement 64. Une plaque de côté avant 66 est fixée au disque 60 et aux ailettes 62 et une plaque de côté arrière 68 est fixée au disque 60 et aux ailettes 62. Plusieurs trous 72 s'étendent entre la chambre 70 et l'espace formé entre les plaques decôtés 66 et 68. Des trous (pas représentés) s^éten-25 dent à travers la plate-forme dans chaque ailette 62 pour permettre au fluide de s'écouler à partir de 1 * espace entre les plaques de côtés 66 et 68 vers l'intérieur des ailettes 62. Le fluide contenu dans les ailettes 62 peut s'écouler de celles-ci à travers des ouvertures situées à l'extrémité extérieur des ailettes. 30 Des pales 80 s'étendent vers l'intérieur à par tir de la paroi extérieure 16 de la turbÎE il entre les ailettes 42 et 62. Ces pales sont fixées à leur extrémité extérieure et ont à leur extrémité intérieure des moyens d'étanchéité coopérant avec les projections de l'élément de renforcement 64. Des pales 90 sont 35 placées en aval des ailettes 62 et des moyens d'étanchéité 92 sont prévus entre la plaque de côté 68 et la structure intérieure des pales 90. Des trais 94 sont situés dans le collier 41 de 71 13407 2086406 - 5 - sorte que le fluide passant par le moyen d'étanchéité à labyrinthe 32 puisse s'écouler vers l'arrière du disque 60 de la turbine et entrer à nouveau dans le chemin de passage principal de la turbine. Une conduite annulaire 100 est placée autour de 5 la partie avant de la chambre à combustion 4 et a une ouvature annulaire loi dirigée vers l'avait pour recevoir l'air provenant du diffuseur. Cet emplacement de 1'ouverture 101 au centre de la conduite de décharge du diffuseur fournit l'air de refroidissement le plus froid et le phs propre. La conduite annulaire lOO comporte 10 des projections 102 sur sa partie supérieure, chacune des projections ayant une ouverture pour recevoir une goupille 10 du moyen de fixation. La conduite annulaire a plusieurs supports creux 104 pour relier la conduite annulaire à l'extrémité avant du passage annulaire 17. Une ouverture 105 dans la paroi 14 relie l'intérieur 15 de chaque support creux au passage 17. On peut voir maintenant, que de l'air quittant un compresseur situé en amont du diffuseur 2 s'écoulera à travers le diffuseur 2 vers la chambre à combustion 4. Une quantité prédéterminée de l'air du compresseur est déviée par la conduite annulai 20 re 100 et dirigée par plusieurs supports creux 104 et les trous 105 vers le passage annulaire 17. Le courant passe alors à travers le passage 17 vers le conduit annulaire formé par la paroi solide 28 et la paroi solide 30, et il est dirigé ensuite vers l'entrée du passage 26. Le courant est alors détendu par les pales 27 et 25 sort du passage 26 dans une direction prédéterminée et à une vitesse compatible avec la rotation du djsjue 40 du rotor de la turbine. Une partie du courant passe alors à travers les trous 54 vers la chambre annulaire 70 et une partie coule à travers des ouvertures 52 vers la région entre les plaques de côtés 44 et 46 d'où elle 30 coule à travers les ailettes 42. L'air renfermé dans la chambre 70 coule alors à travers des ouvertures 72 vers la région entre les plaques de côtés 66 et 68 et passe ensuite à travers les ailettes 62. Des calculations pour une construction ont mon-35 tré que les fuites du courant étaient faibles dans le système ët environ 96%* de la pression totale fournie par le compresseur est fournie à l'entrée du conduit annulaire 24. L'air de refroidissement était alors détendu par les pales 27 à une pression approxi 13407 2086406 - 6 - mativement égale à 65% delà pression de décharge du compresseur. La vitesse de tourbillonnement attribuée à l'air de refroidissement est plus grande que la vitesse de rotation du passage 50 et du travail util est alors transmis ëu disque tournant. Dans ce procédé d'expansion, la température du gaz à l'intérieur de la chambre 50 diminue d'environ 66°C. Cet air de refroidissement traversait alors le système de refroidissement. Comme décrit ci-avant les fuites sont minimes parce que la pression de l'air de refroidissement est abaissée à environ 65% de la pression totale fournie par le compresseur. 71 13407 "08.6406 - 7 - REVENDICATIONS 1. Système de refroidissement pour un moteur à turbine comportant une entrée, une chambre à combustion et une tur- 5 bine avec un rotor de turbine formé par un disque autour duquel des ailettes sont fixées, caractérisé en ce qu 'une condiite est située en aval de l'entrée et comporte une ouverture pour recevoir du fluide provenant de ltentrée, en ce qu'un passage s'étend à partir de cette conduite vers un point juste devant le disque 10 de la turbine en ce qu'un premier passage annulaire fixe est attaché dans le moteur à turbine et comprend une sortie espacée du côté avant"du disque de la turbine et une entrée attachée au passage, en ce qu'un deuxième passage annulaire rotatif s'étend veœ l'avant du disque, les extrémités libres de ces deux passages é— 15 tant étanchéifié l'une par Rapport à l'autre, en ce que des moyens sont prévus dans le premier passage annulaire fixe pour diriger le courant du passage fixe dans la même direction que la rotation de la turbine, et en ce que des trous sont formés dans le disque en communication avec le deuxième passage rotatif pour diriger le 20 courant vers les ailettes pour les refroidir. 2. Système de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conduite est une conduite annulaire placée immédiatement en aval de l'entrée. 3. Système de refroidissement selon la revendication 25 1 ou 2, caractérisé en ce que lecteuxième passage annulaire rotatif est en relation téléscopique avec le premier passage annulaire fixe. 4. Système de refroidissement sëbn une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier passage annulaire fixe comprend des buses. 30 5. Système de refroidis s ement selon une des revendi cations 1 à 4, caractérisé en ce que le premier passage annulaire fixe comporte des pales pour l'expansion du fluide. 6. Système de refroidissement selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la conduite comporte des 35 supports creux s'étendant à partir de l'ouverture dans le courant d'entrée vers le passage. 7. Système de refroidissement selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le rotor de la turbine comporte 3407 2086406 - 8 - un deuxième disque supporté pour rotation et ayant également à son pourtour des ailettes, et en ce que des trous dans le deuxième disque sont en communication avec le deuxième passage rotatif pour diriger le courant vers la deuxième turbine et les deuxièmes ailettes. 8. Système de refroidissement selon une des revendi cations là 8, caractérisé en ce que l'ouverture de la conduite est placée au centre de l'entrée.