Brevet FR2115419A1 — publié le 19720707

On connaît déjà différents agencements pour le refroidissement par liquide des aubes de turbines à gaz, comme décrit par exemple dans les brevets américains N° 3 446 481 et 3 446 482. 5 Dans les turbines à gaz, le refroidissement par liqui de en circuit ouvert est particulièrement important du fait qu'il offre la possibilité d'augmenter la température d'entrée de la turbine jusqu'à une gamme de fonctionnement comprise entre 1370°C et 1930°C, ce qui permet d'augmenter la gamme de 10 puissance de sortie dans une proportion allant de 100 à 200 % et d'augmenter la gamme de rendement thermique jusqu'à 50 %. Ces turbines refroidies par liquide en circuit ouvert sont appelées turbines à gaz à très haute température. Dans les turbines de ce type, le flux thermique fourni 15 aux aubes de la turbine est si important qu'il est nécessaire d'avoir un grand nombre de canaux de refroidissement dans chaque aube pour distribuer uniformément l'agent réfrigérant sur la surface de l'aube. Par exemple, pour une petite turbine, les dimensions des canaux sont environ 0,51 mm x 0,64 mm et les 20 axes de ces canaux sont distants d'environ 1,3 mm à 1,8 mm sur différentes zones de la surface de l'aube, pour un total d'environ 50 canaux de circulation de l'agent réfrigérant par aube. Un rotor complet de turbine peut comporter jusqu'à 100 aubes, ce qui correspond à un total d'environ 5000 canaux, chacun de 25 ces canaux devant recevoir une quantité d'agent réfrigérant liquide mesurée avec précision. De même, dans les turbines à gaz à très haute température, il est souhaitable que les vitesses des têtes d'aubes soient extrêmement élevées (458-610 m/s par exemple) afin d'évacuer de grandes quantités d'énergie pour 30 chaque étage de la turbine. Ces vitesses élevées compliquent encore le problème de la mesure de la quantité de l'agent réfrigérant. Etant donné que le champ centrifuge peut atteindre 250 000 g, dans de telles conditions une différence de niveau d'eau aussi faible que 0,025 mm correspond à une différence de 35 niveau de 6,25 m à 1 g. Ainsi, même des imprécisions minimes dans cette partie du dispositif de mesure (par exemple sur les emplacements des orifices de mesure ou chicanes) desservie par une source unique d'agent réfrigérant, font apparaître de forts déséquilibres d'écoulement dans cette section particulière, à 40 cause de la pression due à la différence de niveau. F 71 42403 2 2115419 La position des chicanes ménagées dans chaque partie plane du rotor de la turbine est définie avec précision par rapport à l'axe de l'arbre de la turbine à gaz refroidie par liquide, ce qui permet d'obtenir des conditions d'écoulement 5 sensiblement constantes en tous points de ces chicanes. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation particulière donnée à titre d'exemple et représentée au dessin annexé dans lequel : 10 La figure 1 est une vue en perspective, partiellement en coupe, illustrant la position relative des chicanes, faisant partie intégrante des plaques de base, par rapport aux extrémités inférieures des canaux de réfrigération de l'aube de turbine adjacente. 15 La figure 2 représente la jante du disque de rotor et line aube, la tête de cette aube étant perfectionnée, suivant l'invention, en ce qui concerne le circuit ouvert de refroidissement, les parties de l'enveloppe coopérant avec l'extrémité de l'aube étant aussi représentées. 20 La figure 3 est une vue en coupe prise suivant la ligne 3-3 de la figure 2. La figure 4 est une vue en coupe, dans deux plans différents, prise suivant la ligne 4-4 de la figure 3. L'aube 10 de la turbine comporte une paroi extérieure 25 métallique 11 fixée (par exemple par brasure) sur un noyau creux moulé 12 dans lequel sont ménagées des rainures 13a s'étendant sur toute sa hauteur. Les canaux de refroidissement 13, de section rectangulaire, définis par la paroi extérieure 11 et les rainures 13a sont traversés par le liquide réfrigé-30 rant et l'entraînent sur une distance uniforme en bas de la paroi extérieure 11. Les extrémités supérieures des canaux de refroidissement 13, dé section rectangulaire, du côté refoulement de l'aube 10, communiquent et aboutissent dans un collecteur 14 ménagé dans le noyau 12. Du côté aspiration de l'aube 35 10, les canaux de refroidissement 13 de section rectangulaire communiquent et aboutissent dans un collecteur similaire (non représenté) ménagé dans le noyau 12. Au voisinage de l'arête de sortie de l'aube 10, un conduit transversal (non représenté) relie le collecteur situé du côté aspiration au collecteur 14. 40 Le refroidissement nécessaire en circuit ouvert à 71 42403 3 2115419 partir du collecteur 14 (et du collecteur situé du côté aspiration) est assuré grâce à un orifice 16, qui sert à évacuer les fluides réfrigérants réchauffés du collecteur 14 au niveau de l'arête arrière de l'aube 10, comme représenté. Une rainure 5 collectrice annulaire 17, ménagée dans l'enveloppe 18, reçoit le fluide éjecté par la force centrifuge afin de le recycler éventuellement ou de l'évacuer. Le système collecteur de l'aube de la turbine est décrit plus en détail par ailleurs par la demanderesse. 10 Le pied du noyau 12 comporte plusieurs appendices se présentant sous la forme de doigts, ou pointes 19 de différentes longueurs. Ces appendices 19 peuvent présenter un profil généralement rectangulaire, comme représenté, ou chaque pointe peut être effilée en direction de l'extrémité extérieure de 15 façon à présenter un profil de forme sensiblement triangulaire. Le bord 21 du disque 22 de la turbine comporte des rainures 23, ces rainures possédant des profondeurs et des largeurs correspondant aux différentes longueurs et largeurs des appendices 19 de façon que ces appendices 19 s'adaptent avec serrage dans 20 les rainures 23 en se verrouillant mutuellement. Les profils de forme triangulaire pour les appendices du pied de l'aube permettent d'obtenir une meilleure distribution des contraintes de cisaillement au niveau de l'assemblage des appendices 19 et des rainures 23 et des contraintes de tension dans les appen-25 dices. Cependant, on préfère utiliser des profils rectangulaires pour faciliter la fabrication. Une fois que l'ajustage correct est réalisé, on place une quantité appropriée de brasure dans chaque rainure 23 et les aubes sont introduites et maintenues dans une position fixe 30 à l'aide d'une fixation. Cette fixation est serrée pour maintenir un ajustage serré entre les appendices 19 et les rainures 23 quelle que soit la dilatation thermique. On peut utiliser des alliages classiques, possédant des points de fusion compris entre 370°C et 595°C, pour le brasage. On peut aussi utiliser 35 des métaux purs, par exemple le cuivre. L'assemblage des aubes et du disque de rotor est décrit plus en détail par ailleurs par la demanderesse. Ensuite, l'ensemble (la jante munie de toutes les aubes disposées correctement) est brasé dans un four pour obte-40 nir une structure unitaire. 71 42403 4 2115419 Pour l'enveloppe et le noyau on peut utiliser des alliages d'acier, par exemple des alliages contenant au moins 12 % en poids de chrome de façon à posséder une bonne résistance à la corrosion et à pouvoir être traités thermiquement 5 pour obtenir une résistance mécanique importante. Le découpage des rainures 23 dans la jante 21 fournit non seulement la configuration nécessaire pour fixer le pied de l'aube tout en diminuant le poids de la jante, mais en outre la surface supérieure des parois 24 séparant les rainures 23 10 permet de fixer des plaques moulées 26 dans lesquelles sont ménagés des canaux de refroidissement 27 et 28. Les plaques 26 peuvent aussi être réalisées suivant d'autres procédés, par exemple par forgeage. Les canaux de refroidissement 27 sont juxtaposés avec les rainures 23 et les canaux de refroidissement 15 28 interconnectent les canaux de refroidissement 27 comme représenté, i^es parois de séparation 29 entre les canaux de refroidissement 27 sont dimensionnées de façon à coïncider avec la largeur des parois juxtaposées 24. La structure perfectionnée destinée à mesurer la quan-20 tité de liquide réfrigérant est mise en place durant la réalisation des plaques 26, en meulant avec précision chaque rebord 31 en correspondance avec le rayon du cercle sur lequel se trouvent les extrémités des parois 24, ce qui forme une surface cylindrique (dont les éléments sont disposés suivant la direc-25 tion axiale) qui suit le contour de l'aube 10, de part et d'autre de celle-ci, à côté des canaux de refroidissement 13. Comme on le verra ci-après, toutes les parties de ces surfaces cylindriques, recevant un agent réfrigérant provenant d'un circuit de distribution commun, peuvent être positionnées avec 30 précision à égale distance de l'axe de rotation. Lors du fonctionnement, ces rebords 31 fonctionnent comme des chicanes par l'intermédiaire desquelles le fluide de refroidissement peut être distribué uniformément dans les canaux de refroidissement 13 ménagés sur chaque face de l'aube. Les parois 24 sont res-35 pectivement munies d'entailles 24a destinées à former un trajet d'alimentation pour l'agent réfrigérant le long des rebords 31 en direction des rainures 13a menant aux canaux 13. Les plaques 26 sont fixées sur la jante du rotor en soudant à l'aide d'un faisceau électronique les parois de sépa-40 ration 29 sur les parois 24 après avoir préalablement meulé la 71 42403 5 2115419 face périphérique de chaque paroi 29 suivant un rayon identique à celui du cercle sur lequel se trouvent les extrémités des parois 29. Bien que les plaques de hase représentées ici soient 5 constituées par des plaques individuelles réalisées séparément des aubes 10 et distinctes les unes des autres, on peut aussi utiliser d'autres formes de réalisation. Par exemple, les éléments de cette plaque de base peuvent faire partie intégrante de chaque aube ou bien on peut utiliser une seule plaque con-10 tinue dans laquelle des ouvertures sont ménagées pour recevoir les aubes 10. Dans chaque cas, les surfaces des chicanes distribuant l'agent réfrigérant aux aubes 10 seront ménagées au cours de la réalisation de ces plaques au voisinage de chaque côté des différentes aubes 10. 15 Etant donné que l'arête d'entrée des aubes 10 est exposée au flux thermique le plus important, elle reçoit le liquide réfrigérant de façon plus directe (pas par l'intermédiaire de la chicane 31). La façon dont le liquide réfrigérant est fourni est décrite plus en détail ci-après. 20 Comme mentionné dans les brevets cités précédemment, le liquide réfrigérant (habituellement de l'eau) est vaporisé sous faible pression suivant une direction extérieure radiale à partir d'ajutages (non représentés mais situés de préférence de part et d'autre du disque 22) et arrive sur le disque 22. 25 De là, l'agent réfrigérant passe dans des gouttières 32, 32a délimitées en partie par des rebords 33, 33a dirigés vers le bas. Le liquide de refroidissement s'accumule dans les gouttières 32, 32a (refroidissant les parties de la jante avec lesquelles il vient en contact), et y est retenu jusqu'à ce que 30 la vitesse de ce liquide devienne égale à celle de la jante du disque. Une fois que le liquide de refroidissement se trouvant dans les gouttières 32, 32a a atteint cette vitesse, il sort de façon continue de ces gouttières 32, 32a, se dirigeant ra-35 dialement vers l'extérieur par l'intermédiaire des perçages 34, 34a qui communiquent avec les deux rainures extérieures 23 (figures 2 et 4) ménagées dans les régions se trouvant entre les aubes 10. Comme représenté dans la figure 4, des perçages particuliers 34a communiquent directement avec le canal de 40 refroidissement situé au niveau de l'arête d'entrée de chaque 71 42403 6 2115419 aube 10. Ainsi, une partie du liquide réfrigérant ne passe pas par les chicanes 31 de façon à être envoyée directement vers les arêtes d'entrée des aubes 10, tandis que le reste de l'agent réfrigérant est introduit dans les rainures extérieures 23 à 5 partir desquelles il est distribué, par l'intermédiaire des canaux de refroidissement 28, dans les canaux de refroidissement 27. Lorsque l'agent réfrigérant traverse toutes ces surfaces des plaques de base 26, ces éléments restent froids. Ensuite, l'agent réfrigérant passe sur les faces extérieures des rebords 10 31 pour arriver à l'extrémité inférieure des canaux de refroidissement 13 (en passant par les rainures 13a) des aubes adjacentes 10, puis pénètre et traverse les aubes de turbine. Il est critique que les parties des gouttières 32, 32a communiquant avec les perçages 34, 34a soient usinées avec 15 des tolérances très serrées pour être sûr qu'elles soient équi-distantes du centre de rotation, ce qui permet d'obtenir une distribution sensiblement uniforme de l'agent de refroidissement dans les perçages 34, 34a. Comme on peut le voir dans la figure 4, un groupe de six perçages 34 fournit l'agent de refroidisse-20 ment aux canaux de refroidissement se trouvant du côté aspiration d'une aube et du côté refoulement voisin de l'aube suivante. Ainsi, les surfaces des rebords 31, sur lesquelles arrive l'agent réfrigérant provenant d'un groupe commun de perçages 34 (qu'ils soient ménagés ou non dans le même élément de base) 25 doivent être équidistantes, en tous points de leur longueur, du centre de rotation pour assurer une distribution uniforme de l'agent de refroidissement. Lorsque l'agent de refroidissement traverse les canaux de refroidissement 13 d'une aube quelconque 10, une large par-30 tie du fluide de refroidissement (ou sensiblement tout le fluide de refroidissement, suivant le débit) est convertie à l'état de gaz ou de vapeur lorsque ce fluide absorbe la chaleur provenant de la paroi extérieure 11 et du noyau 12 de l'aube. Aux extrémités extérieures des canaux de refroidissement 13, la 35 vapeur ou le gaz et tout le liquide réfrigérant restant passent dans le collecteur 14 et dans le collecteur du côté aspiration. Après quoi, le contenu du collecteur du côté aspiration est mélangé avec le contenu du collecteur 14 et l'ensemble est évacué de ce collecteur 14 par l'intermédiaire d'une ouverture 40 16 communiquant avec une rainure collectrice 17, de façon à 71 42403 7 2115419 compléter le circuit de refroidissement en circuit ouvert. Dans la forme de réalisation représentée et décrite, les chicanes (ou surfaces cylindriques positionnées avec précision), dont l'une est disposée dans le trajet de distribution 5 du liquide réfrigérant conduisant de part et d'autre de chaaue aube, sont meulées en correspondance avec le rayon du diamètre du cercle sur lequel se trouvent les extrémités des parois 24. Cependant, on peut utiliser un rayon différent, si on le désire, dans la mesure où toutes les parties de ces surfaces 10 cylindriques, recevant l'agent réfrigérant provenant d'un circuit de distribution amont commun, sont disposées à égale distance de l'axe de rotation. Si l'on utilise des chicanes s'étendant rectilignement sur la face inférieure des plaques de base, chaque canal de 15 refroidissement doit s'étendre jusqu'au voisinage de la chicane rectiligne, de façon que le liquide de refroidissement passant sur la surface cylindrique, meulée avec précision, de la chicane (disposée suivant l'invention) soit fourni directement aux canaux de réfrigération ou à des prolongements de ceux-ci. 71 42403 8 2115419 REVENDICATIONS 1. Turbine à gaz comportant un disque de turbine calé sur un arbre monté, de façon à pouvoir tourner, dans une enveloppe, ledit disque de turbine étant sensiblement perpendicu-5 laire à l'axe de l'arbre et étant muni d'aubes et de plaques de base fixées sur la jante de ce disque, ces aubes étant entraînées par un fluide moteur chaud se déplaçant suivant une direction sensiblement parallèle à l'axe de l'arbre, la force d'entraînement étant transmise à cet arbre par l'intermédiaire du 10 disque, des moyens s'étendant radialement vers l'intérieur des plaques de base fixées sur le disque de la turbine pour introduire un liquide réfrigérant à l'intérieur de cette turbine, suivant une direction radiale dirigée vers l'extérieur, dans des trajets de distribution en circuit ouvert, ledit agent de 15 refroidissement traversant une partie de la jante et des plaques de base, passant dans des canaux de refroidissement ménagés dans les aubes et sortant de ces canaux suivant une direction radiale, caractérisée par le fait qu'elle comporte plusieurs surfaces cylindriques distinctes dont les éléments sont disposés 20 parallèlement à l'axe de l'arbre, chacune de ces surfaces étant ménagée sur la paroi intérieure, suivant la direction radiale, des plaques de base, une de ces surfaces cylindriques étant disposée dans le trajet de distribution donné du liquide de refroidissement conduisant de part et d'autre de chaque aube, 25 au voisinage de l'extrémité intérieure des canaux de refroidissement prévus pour celle-ci, et toutes les parties de ces surfaces cylindriques recevant l'agent de refroidissement à partir d'un circuit de distribution aval commun disposé à égale distance dudit axe. 30 2. Turbine suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que deux desdites surfaces cylindriques sont ménagées sur une seule plaque de base se trouvant entre deux aubes. 3. Turbine suivant la revendication 2, caractérisée par le fait que les surfaces cylindriques suivent le contour 35 aérodynamique des pieds des aubes de turbine. 4. Turbine suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que les plaques de base comportent plusieurs rainures sur leur face inférieure pour faciliter la distribution du liquide de refroidissement.