Brevet FR2316440A1 — publié le 19770128

La présente invention concerne d'une manière générale, des systèmes de refroidissement et, plus particulierement, des systèmes de refroidissement destinés à être utilisés dans des moteurs à turbines à gaz. La dissipation de la chaleur dans les moteurs à turbines à gaz continue à être une source de difficultés pour les concepteurs de moteurs à turbine à gaz. Ces difficultés sont particulièrement importantes dans la chambre de combustion et dans la turbine du moteur à turbine à gaz, là od les températures sont les plus éle vées. Par exemple, dans le distributeur de la turbine, les éléments délimitant le chemin d 'écoulement sont soumis à l'impact direct des produits de combustion. Lorsque les températures de la chambre de combustion augmentent (on a tendance à avoir des températures d'entrée de la turbine dépassant 10930C), il devient essentiel d'améliorer les méthodes de refroidissement.Bien que l'on dispose de matériaux pour hautes températures améliorés, ce qui élimine en partie certaines difficultés, on doit prévoir un refroidissement par fluide. On a essentiellement élaboré trois types de refroidissement des parois délimitant le chemin d'écoulement des gaz chauds et on les utilise soit seuls, soit combinés, selon les températures rencontrées et la facilité de mise en oeuvre. On désigne couramment ces trois types de refroidissement par refroidissement par convexion, refroidissement par impact et refroidissement par film. Le refroidissement par convexion s'emploie dans les zones de températures plus faibles, et consiste à faire circuler de l'air de refroidissement dans un circuit ou un labyrinthe disposé, le long du côté de la paroi définissant le chemin d'écoulement, opposé aux gaz chauds. Le refroidissement par impact est une forme de refroidissement par convexion, réalisé par projection à grande vitesse de petits jets d'air de refroidissement contre la surface de la paroi définissant le chemin d'écoulement opposée aux gaz chauds. On obtient les jets d'air en injectant l'air de refroidissement à travers une chemise perforée, c' est-à-dire munie de nombreux petits orifices distincts. Le refroidissement par film est un procédé consistant à maintenir une couche d'air de refroidissement entre les gaz à haute température et le côté externe ou côté des gaz chauds de la paroi délimitant le chemin d'écoulement. On obtient la couche d'air de refroidissement en injectant de l'air provenant d'une chambre de refroidissement à travers une série d'orifices pratiqués dans la paroi. La quantité d'air de refroidissement distribuée sur chaque zone du profil dépend de la disposition et de la dimension des orifices. Les trois méthodes définies ci-dessus tendent à réduire les pointes de température du métal ainsi que les gradients de température, ce qui permet d'avoir des températures plus élevées à l'entrée de la turbine. D'une façon générale, un refroidissement idéal, mettant en oeuvre l'une ou l'ensemble des méthodes définies ci-dessus, se caractériserait par (1) un rendement aérodynamique élevé, (2) une consommation minimale en fluide de refroidissement, et, (3) un coût plus élevé et un entretien facile. Ainsi, un refroidissement approchant de plus près ces buts, constitue une amélioration par rapport à la technique antérieure. Le brevet des Etats Unis nO 3.800.864 décrit les concepts de la technique antérieure mettant en oeuvre~les méthodes de refroidissement mentionnées ci-dessus. On se réfère à ce brevet dont on énumère quelques un des inconvénients inhérents à certaines conceptions de la technique antérieure. Dans le passé, on semble avoir prêté peu d'attention au mode de commande de l'injection (ou de la décharge) du fluide de refroidissement dans le courant de gaz chauds, lors de l'utilisation du refroidissement par film Si l'injection de l'air de refroidissement dans le courant de gaz chauds se fait de façon plutôt aléatoire comme c'est le cas dans les procédés existants de refroidissement par film, il se produit des pertes par mélange qui tendent à réduire les performances du distributeur de la turbine à gaz. De plus, dans les méthodes classiques de refroidissement utilisant le refroidissement par convexion et par film, le film de refroidissement est fourni par plusieurs compartiments qu'alimente individuellement une chambre de fluide de refroidissement commune.Les orifices de refroidissement par film subissent dans tout compartiment, une très importante variation du rapport de pressions d'un orifice à l'autre. Ceci est dA soit aux variations de la pression statique des gaz chauds sur la face chaude des orifices de refroidissement par film, soit aux variations de pression dans la chambre du fluide de refroidissement dues aux chutes de pression de l'ecoule- ment transversal quand le fluide de refroidissement circule à travers le labyrinthe de refroidissement par convexion. L'importante variation du rapport de pressions de part et d'autre des orifices d'un même compartiment peut entrainer une mauvaise distribution du fluide de refroidissement à laquelle on remédie seulement par l'ajustement des dimensions ou de la disposition des orifices. Quelques difficultés supplémentaires, non surmontées par la technique antérieure, résident en ce que là od le refroidissement par film de la rampe distributrice de la turbine à gaz est employé conjointement avec le refroidissement par impact, l'effet puissant du refroidissement par impact n'est pas pleinement utilisé. Ceci est dA à la très petite valeur du rapport de pression disponible pour l'impact, ce rapport étant déterminé par les conditions au bord a d'attaque de la rampe distributrice. En d'autres termes, si toute la rampe distributrice de la turbine est refroidie par film et par impact à l'aide d'une chambre de refroidissement ordinaire, le rapport de pression au bord d'attaque déterminera les conditions de l'écoulement d'impact, même si des conditions plus favorables existent ailleurs à l'intérieur du distributeur. La présente invention améliore le refroidissement en utilisant pleinement l'important potentiel du refroidissement par impact. On réalise cela en tirant profit des rapports de pression élevés disponibles. On diminue la mauvaise distribution de l'écoulement de refroidissement par film rendant égaux les taux de pression de part et d'autre de tous les orifices d'un même compartiment. Par conséquent, le but principal de la présente invention est de fournir un système de refroidissement perfectionné pour les éléments délimitant le passage des gaz chauds. Un autre but de la présente invention est de- fournir un système qui utilise pleinement les puissants effets du-refroidissement par impact. Un autre but de la présente invention est de fournir un système de refroidissement présentant une meilleure distribution de l'écoulement de refroidissement par film. On réalise les objectifs mentionnés ci-dessus en entourantla paroi délimitant le chemin de l'écoulement gazeux par un passage de refroidissement. Une chemise de refroidissement par impact est disposée à l'intérieur du passage et définit avec la paroi une chambre de refroidissement. Plusieurs orifices pratiqués dans la chemise fournissent un refroidissement par impact de la paroi. La chambre peut être.divisée en compartiments à l'aide de cloisons s'étendant entre la chemise et les -parois, isolant ainsi les unes des autres différentes parties de la chambre de refroidissement. Dans une réalisation, les cloisons sont disposées le long des isobares de pression statique du passage des gaz chauds. Conformément à la présente invention, les orifices de refroidissement par film à l'intérieur de chaque compartiment sont également disposés le long des isobares de pression statique. Ces orifices derefroidissement par film permettent d'éjecter le flux de fluide de refroidissement, de la chambre de refroidissement dans le courant de gaz chauds,et d'obtenir ainsi le refroidissement par film. Ainsi, on obtient à partir de la chambre de refroidissement, l'injection d'un film uniforme le long de la paroi délimitant le trajet des gaz chauds, étant donné que tous les orifices de refroidissement par film présentent à l'intérieur d'un compartiment le même rapport de pression statique de part et a d'autre.En outre, on peut tirer un avantage optimal de l'important potentiel du refroidissement par impact, étant donné que ces compartiments présentent des rapports de pression plus élevés. Un autre avantage de la présente invention est que la quantité d'air de refroidissement introduite dans chacun des compartiments peut être déterminée compte tenu de considérations thermodynamiques locales, et réglée d'après le nombre et la dimension des orifices de refroidissement par film et par impact. Lors d'une application aux rampes distributrices de la turbine d'un moteur à turbine à gaz, il est préférable de placer les trous de refroidissement par film en amont du col du distributeur afin de minimiser les pertes par mélange. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement Figure 1, une vue en coupe d'une partie d'un moteur à turbine à gaz mettant en oeuvre la présente invention, Figure 2, une vue en coupe d'un dispositif de la technique antérieure, destiné au refroidissement de la paroi, Figure 3, un graphique illustrant les niveaux de pression à l'intérieur de zones particulières du dispositif de refroidissement de la technique antérieure représenté sur la figure 2, Figure 4, une vue en plan d'un segment de la rampe distributrice d'un moteur à turbine à gaz mettant en-oeuvre les éléments de la présente invention, Figure 5, une vue en coupe du segment de la rampe distributrice de la figure 4, faite selon la ligne 5-5, Figure 6, une vue en coupe similaire à la figure 5, du segment de la rampe distributrice de la figure 4, faite selon la ligne 6-6, et Figure 7, une vue isométrique renversée du segment de la rampe distributrice de la figure 4. Si l'on se réfère aux figures sur lesquelles on a attribué les mêmes numéros de référence aux éléments identiques, la figure 1, représente une vue en coupe d'une partie du moteur à turbine à gaz 10, comprenant une ossature structurale 12. Le moteur se compose d'une chambre de combustion 14 délimitée par une chemise extérieure 16 et une chemise intérieure 18. En aval, de la chambre de combustion, se trouve une grille d'aubes distributrices d'entrée 20 supportée par des rampes distributrices seg mentées 22 (sur le pourtour extérieur) et 24 (sur le pourtour intérieur). En aval des aubes distributrices 20 se trouve une première grille d'aubes mobiles 26 supportées pour une roue tournante de turbine 28. Une enveloppe 30 entoure les aubes mobiles 26. Un passage de gaz chauds 32 est ainsi délimité par les rampes distributrices internes et externes, respectivement 24 et 22, ainsi que par la plateforme d'aubes mobiles 34 et par llenve- loppe 30. On peut estimer que chacun de ces éléments délimitant et définissant partiellement le passage des gaz chauds 32, est soumis à la chaleur intense provenant des produits de combustion à la sortie de la chambre de combustion 14. Le but de la.présente invention est de refroidir efficacement de tels éléments. Dans ce but, et de façon classique, les passages 36 et 38 d'air de refroidissement sont respectivement délimités par les contours externes et internes du passage des gaz chauds 32. Le passage 36 est délimité par les chemises 16 de la chambre de combustion et par l'ossature 12, tandis que le passage 38 est déli- mité par la chemise 18 de la chambre de combustion et par un élément structural interne 40. Comme le savent les spécialistes, un compresseur situé en amont (non représenté) alimente les passages 36 et 38 en fluide de refroidissement, afin de fournir une provision d'air de refroidissement pour différents éléments du moteur. Le moteur à turbine à gaz, dont on a représenté une partie sur la figure 1, fonctionne de façon classique. Un flux d'air comprimé pénétre dans la chambre de combustion 14 où se produit l'inflammation d'un carburant approprié dont les produits de combustion sortent en aval de la chambre 14 en direction du passage des gaz chauds 32 et s'engagent dans le distributeur 20 et les aubes mobiles 26. L'écoulement transmet de l'énergie aux aubes mobiles 26 afin de faire tourner la roue de turbine 28 qui sert à entraîner les éléments correspondants du compresseur du moteur. Le courant de gaz chauds est éjecté à la droite de la figure 1 afin de fournir une poussée notable vers la gauche de la même figure. On va décrire le système de refroidissement de la présente invention en considérant particulièrement la rampe distributrice interne 24; cependant, on peut remarquer que la présente invention est aisément adaptable à n'importe quel élément similaire délimitant le passage de gaz chauds. A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 1, le système de refroidissement de la présente invention comme fonctionnant non seulement avec les rampes intérieures 24, mais aussi avec les rampes extérieures 22. La figure 2 représente un dispositif de refroidissement de la technique antérieure tel qu'on l'a décrit ci-dessus, dans lequel on associe une paroi à refroidir 42 à une chemise 44 percée de plusieurs petits orifices 46. L'air de refroidissement provenant d'un passage de refroidissement 47, traverse les orifices 46, pénétre dans une chambre 48 délimitée par la chemise et la paroi 42, puis arrive sur la paroi 42 selon une direction normale à celle-ci. Un écoulement turbulent résulte de cet impact et la chaleur est transmise par convexion à l'air éjecté par les nombreux orifices 50 pour former un film de fluide de refroidissement sur la paroi 42 (ainsi qu'il est représenté). Comme on l'a expliqué précédemment, cette configuration n'utilise pas entièrement l'important potentiel du refroidissement par impact.Ceci est dù à la très faible valeur du rapport de pressions disponibles pour l'impact, lors du refroidissement de la rampe distributrice d'un moteur à trubine à gaz, ce rapport étant déterminé par les conditions au bord d'attaque de la rampe distributrice. Par exemple, la figure 3 représente graphiquement les niveaux de pression dans les régions principales de la rampe distributrice de la technique antérieure de la figure 2. En particulier, les niveaux de pression statique dans le passage de refroidissement 47 (P47) , dans la chambre 48 (P48) et la pression statique du passage de gaz chauds 32 (P3-2-) le long de la paroi 42 varient en fonction de la distance axiale sur la paroi.Les niveaux de pression à l'intérieur du passage 47 et de la chambre 48 sont relativement constants, du fait de la taille des chambres et en supposant négligeable la vitesse de l'écoulement dans chacune (ce à des fins a d'illustration). Bien que cela ne soit pas exactement con- forme à la réalité, l'exemple servira à mettre en évidence les concepts intervenant. L'écoulement de gaz chauds vers les aubes distributrices adjacentes 20, influe sur la valeur de la pression statique le long - du côté des gaz chauds de la paroi 42, la vitesse devenant maximale et la pression statique minimale au col du distributeur (zone de surface d'écoulement minimale).Le rapport de pressions pour le refroidissement par impact est évidem ment lerapport P47/P48, celui-ci demeure constant le long de la rampe distributrice et est déterminé par la valeur de P32 au bord d'attaque, ceci en vertu du fait que P47 doit être supérieur à P48, qui doit être à son tour supérieur à P32. Le rapport de pression P48/P32 (qui permet d'éjecter le fluide de refroidissement et de créer le film de refroidissement tout le long de la paroi 42) est plus important que nécessaire au voisinage du col du distributeur. Cependant, aucune fraction de cet excès n'est disponible pour favoriser le refroidissement par impact selon la configuration de la figure 2. Ainsi, le refroidissement par impact est limité par le bord d'attaque de la rampe distributrice. La configuration de la figure 2 présente un autre inconvénient étant donné qu'après l'impact, une partie du fluide de refroidissement s'écoule latéralement à l'intérieur de la chambre 48, en direction d'un orifice 50. En effet, cet écoulement transversal réduit le coefficient de transfert de chaleur par impact, et pEut entrainer dans certaines circonstances des chutes de pression de l'écoulement transversal à l'intérieur de la chambre 48. Avec différents orifices 50 soumis à différents rapports de pressions, il se produit une éjection non uniforme du fluide, ce qui entrain une mauvaise distribution accompagnée de points chauds du fluide de refroidissement. La présente invention, représentée sur les figures- 4 à 7, permet de surmonter efficacement ces difficultés. La figure 4 est une vue en plan en coupe d'une partie d'un moteur à turbine à gaz mettant en oeuvre la présente invention,alors que la figure 5 qui est une vue en coupe faite suivant la ligne 5-5 de la figure 4, représente la présente invention de la manière illustrée sur la figure 2, en ce qui concerne la technique antérieure. La rampe distributrice 24 (ou plus généralement, la paroi 24) présente une première surface 52 délimitant le passage des gaz chauds 32 et une seconde surface 54 délimitant partiellement une chambre de refroidissement 56. Une chemise 58 est disposée radialement vers l'intérieur de la seconde surface 54 et délimite cette chambre 56.Le passage d'air de refroidissement 38 est délimite par la chemise 58, plusieurs orifices 60 permettant d'introduire l'air de refroidissement dans la chambre 56. Une deuxième série d'orifices 62 (qui constituent un dispositif d'éjection), faisant un angle aigu avec la paroi 24, font communiquer la chambre 56 avec le passage des gazchauds 32. Ainsi, ces orifices permettent d'éjecter l'air de refroidissement de la chambre, et de former un film sur la première surface 52, après que cet air a refroidi la seconde surface 54 par impact. Conformément à un but primordial de la présente invention, on fournit un système permettant d'utiliser plus pleinement les puissants effets du refroidissement par impact. Acette fin, la seconde surface 54 comprend et supporte plusieurs cloisons 64 qui s'étendent de la rampe 24 à la chemise 58 afin de subdiviser la chambre 56 en plusieurs compartiments distincts 66, chaque compartiment permettant d'introduire (orifices 60) et d'éjecter (orifices 62) le fluide de refroidissement. La cloison 64 s'étend aussi latéralement (figures 4 et 6) entre les aubes distributrices adjacentes 20a et 20b.Ainsi, chacun des compartiments se trouvent à l'intérieur de la rampe distributrice et, étant donné qu'ils sont isolés les uns des autres, les orifices 62 de refroidissement par film situés au bord d'attaque de la rampe distributrice, n'ont pas d'influence sur l'établissement du rapport de pressions pour le refroidissement par impact, contrairement au cas de la technique antérieure illustrée sur les figures 2 et 3. On peut rendre optimal chaque compartiment en ce qui concerne le refroidissement par impact, en choisissant soigneusement les dimensions, le nombre et la disposition des orifices d'impact 60. Conformément à un autre but important de la présente inven tion, on fournit un système ayant une meilleure distribution de l'écoulement de refroidissement par film. Dans ce but, dans la réalisation des figures 4 à 7, les cloisons 64 sont disposées de façon à suivre les profils de la pression statique sur la surface des gaz chauds ou les isobares de pression statique obtenues à partir de considérations aérodynamiques. En d'autres termes, l'é- coulement de gaz chauds dans le passage 32 et entre les aubes distributrices 20 crée un profil de pression statique le long de la surface 52, avec des lignes de pression statique constante (isobares) s'étendant entre la surface d'aspiration 68 de l'aube distributrice caractéristique 20a et la surface de pression 70 de l'aube distributrice caractéristique 20b.Les cloisons 64 sont disposées de façon à suivre ces profils pré-choisis. Conformément à la présente invention, on a également aligné les orifices de refroidissement par film 62 de chaque compartiment 66 avec les lignes de pression statique constante, de telle sorte, que chaque orifice 62 d'un même compartiment 66 présente le même rapport de pressions, bien que le rapport varie d'un compartiment à l'autre. Ceci réduit la perte par écoulement transversal et permet une éjection uniforme du film, étant donné qu'à l'intérieur d'un compartiment chaque orifice laisse passer la même quantité de fluide de refroidissement, si l'on prévoit des orifices d'égales dimensions. Ainsi, lors du fonctionnement, chaque compartiment a un rapport de pression différent selon sa position axiale, et l'effet puissant du refroidissement par impact est maximal. La rampe 24 est conçue en vue de son refroidissement par des jets de refroidissement de disposition imposée, arrivant sur la surface 54 après avoir traversé les orifices 60 de la chemise 58 et que fournit le passage de fluide de refroidissement 38. On recueille l'air utilisé pour l'impact dans le compartiment correspondant 66 défini en partie par les cloisons 64 ; il est ensuite éjecté à travers des séries d'orifices 62 faisant un angle aigu avec la rampe 24, pour former un film de refroidissement le long de la première surface 52.En conséquence, on réduit les effets de l'écoulement transversal sur le transfert de chaleur, la chute de pression et la mauvaise distribution de l'écoulement dans le compartiment, en employant un chemin d'écoulement transversal court et essentiellement le même rapport de pressions de part et d'autre de chaque orifice. On réduit l'influence des dimensions inégales des orifices. La présente invention donne une grande latitude de choix en ce qui concerne l'emplacement des orifices pour le refroidissement par film. I1 est particulièrement important de réduire les pertes par mélange gaz chauds/fluide de refroidissement en injectant le fluide de refroidissement dans le courant de gaz chauds dans une région à nombre de Mach relativement faible. Par suite, on dispose les orifices 62 de refroidissement par film en amont du col de la tuyère 72, là où le nombre de Mach est relativement faible. Les gaz de refroidissement que l'on utilise pour le refroidissement par impact dans les compartiments situés à l'arrière du col, sont éjectés à travers plusieurs orifices 74 le long de la surface arrière de la rampe distributrice 24, comme le montrent les figures 4 et 7. Dans le but de reduire les pertes par mélanges, on dispose les orifices 74 le long du courant principal de gaz chauds issu des aubes distributrices 20. Ainsi qu'on l'a exposé précédemment, on peut incorporer la présente invention dans n'importe quel chemin d'écoulement de gaz chauds délimitant une paroi (soit mobile, soit fixe). REVENDICATIONS 1 - Elément refroidi par fluide délimitant partiellement un passage de gaz chauds comprenant - une paroi possédant deux faces dont la première délimite le passage des gaz chauds et la seconde définit partiellement une chambre de refroidissement, - un dispositif permettant l'introduction de fluide de refroidissement dans la chambre ; et - des cloisons subdivisant partiellement la chambre en plusieurs compartiments isolés les uns des autres, chacun des compartiments isolés les uns des autres, possédant un dispositif permettant d'envoyer le fluide de refroidissement sur la seconde face et un dispositif permettant l'éjection du fluide de refroidissement de façon -que la quantité de fluide de refroidissement fournie à chacun des compartiments puisse être déterminée indépendamment des autres, élément caractérisé en ce que dans chaque compartiment, le dispositif d'éjection est disposé le long des isobares de pression statique du passage des gaz chauds. 2 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'éjection comporte un premier ensemble d'orifices faisant communiquer les compartiments avec le passage des gaz chauds. 3 - Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une chemise définissant les compartiments et délimitant partiellement avec la seconde face un passage de fluide de refroidissement, et en ce que les cloisons s'étendent tangentiellement entre la paroi et la chemise. 4 - Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif d'impact comprend un second ensemble d'orifices faisant communiquer le passage de fluide de refroidissement avec les compartiments. 5 - Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier ensemble d'orifices fait un angle aigu avec la paroi dirigeant ainsi le fluide d'éjection sous forme d'un film de refroidissement sur la première face. 6 - Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que certaines cloisons prédéterminées sont alignées avec les isobares de pression statique du passage des gaz chauds. 7 - Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément définit une partie du passage des gaz chauds entre des aubes distributrices adjacentes et que les cloisons prédéterminées s'étendent entre des aubes distributrices adjacentes. 8 - Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément délimite une partie d'un passage des gaz chauds entre les aubes distributrices adjacentes formant un col entre elles et en ce que le premier ensemble d'orifices est disposé en amont du col. 9 - Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que au moins un des compartiments éjecte le fluide de refroidissement à travers un bord de paroi en alignement avec le courant de gaz chauds. 10 - Elément refroidi par un fluide permettant de délimiter partiellement un passage de gaz chauds comprenant une paroi possédant deux faces, la première face délimitant le passage des gaz chauds et la seconde face définissant partiellement une chambre de refroidissement. un dispositif permettant l'impact du fluide de refroidissement sur la seconde face, et un ensemble d'orifices permettant l'éjection du fluide de refroidissement de la chambre et la formation d'un film de refroidissement le long de la première face, élément caractérisé en ce que les orifices sont alignés en une rangée prédéterminée le long des isobare de pression statique du passage des gaz chauds.