Brevet FR2371574A1 — publié le 19780616

Les données de base relatives au refroidissement par liquide en circuit ouvert des aubes mobiles de turbine à gaz ont été énoncées dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique NO 3.619.076, NO 3.658.439, NO 3.816.022 et N0 3.856.433. Selon ces brevets, le refroidissement des aubes mobiles ou ailettes s'effectue au moyen d'un grand nombre de passages de refroidissement s'étendant, audessous de la surface, dans le sens de l'envergure de l'aube. Bien que l'invention décrite et revendiquée ici soit applicable à la fois lorsqu'on utilise des passages à fluide de refroidissement formés en partie par des rainures évidées dans l'âme de l'aube et lorsqu'on utilise des tubes préformés comme passages à fluide de refroidissement, ce dernier concept,-en soi, à savoir celui qui consiste à utiliser des tubes préformés en tant que passages à fluide de refrqidissement s'étendant au-dessous de la surface, dans les aubes mobiles de turbine, constitue une autre invention et n'entre pas dans le cadre de la présente invention. Des essais effectués sur des aubes mobiles de turbine refroidies par eau en circuit ouvert ont établi que, dans des conditions de fonctionnement recommandées (par exemple, de debit d'eau de vitesse de rotation, de température du fluide moteur etc...), liteau se déplace dans chaque passage sous forme d'un mince film, l'axe du passage étant orienté approximativement perpendiculairement à l'axe de rotation de la turbine. Le film d'eau est chassé dans le canal par la force centrifuge, atteignant une vitesse radiale élevée. En même temps, le film est soumis à une forte force de Coriolis qui, aux débits d'alimentation en eau de refroidissement utilisés au cours du fonctionnement, repousse le film dans une région limitée orientée longitudinalement, du passage de fluide de refroidissement. Lorsque ceci se produit, le film de liquide ne recouvre qu'une faible fraction de la superficie du passage de fluide de refroidissement et la capacité de refroidissement du courant liqui-de est réduite. Pour un flux calorifique donné dans chaque passage ou canal de fluide de refroidissement, cette superficie de refroidissement limitée entraine une température de surface du canal de fluide de refroidissement plus élevée et ceci, à son tour, entraî- ne une température plus élevée du revetement de l'aube mobile et une réduction de la durée de vie de l'aube. I1 serait extrêmement souhaitable d'accroître la superficie utile de la surface de-refroidissement à l'intérieur de chaque passage de fluide de refroidissement pour un débit donné quelconque de fluide de refroidissement de façon qu'ainsi la température du revêtement de l'aube puisse être réduite et que la durée de vie de l'aube en présence de contraintes cycliques soit accrue. Conformément à l'invention, les passages de fluide de refroidissement formés dans la pale d'une aube mobile de turbine refroidie par liquide renferment chacun, des moyens produisant un mouvement tourbillonnaire du fluide de refroidissement liquide qui y est contenu, ce fluide de refroidissement étant simultanément sous l'influence d'une force centrifuge.Ainsi, entre les effets de la rotation du disque de turbine et ceux du mouvement tourbillonnaire induit, le fluide de refroidissement liquide contenu dans le passage a fluide de refroidissement donné quelconque peut être considéré (suivant une analyse simplifiée) comme étant soumis à une pre mière force centrifuge agissant dans la direction radiale, à la force de Coriolis et à une seconde force centrifuge agissant par rapport à un axe orienté suivant la direction générale suivie par le passage de fluide de refroidissement.En utilisant l'invention décrite ici, la superficie de la paroi interne d'un passage de fluide de refroidissement donné quelconque recouverte par le fluide de refroidissement liquide sous l'influence du système total de forces agissant à une vitesse donnée au cours de l'utilisation de l'aube mobile est considérablement accrue par rapport à la superficie de la paroi interne qui serait couverte par le même fluide de refroidissement dans les mêmes conditions de fonctionnement en l'absence de la présente invention. Dans les modes de réalisation décrits ici, les surfaces des parois intérieures de chaque passage de fluide de refroidissement sont munies de configuratios hélicoïdales qui présentent soit un profil en creux soitun profil en relief. I1 n'est pas nécessaire que ces configurations hélicoidales soient continues le long des surfaces des parois intérieures des passages de fluide de refroidissement.De préférence, dans les cas où la-configuration héli cotidale est interrompue (et une telle disposition est réalisable), les parties interrompues sont disposées sur le côté avant (par rapport au sens de rotation de l'aube) du passage (c'est-à-dire à l'emplacement où un assèchement partiel est le plus susceptible d' apparaitre au cours du fonctionnement avec un débit minimal de fluide de refroidissement et un flux calorifique élevé). L'efficacité de la distribution du fluide de refroidissement est, dans une certaine mesure, auto-régulée en ce sens que, bien qu'un assèchement partiel soit, en fait, favorisé par la force de Coriolis agissant sur le fluide de refroidissement liquide en déplacement rapide, tendant à le concentrer le long du côté arrière (par rapport au sens de rotation-) du passage de refroidissement, cette réduction de section transversale accroît la vitesse du liquide et, avec la configuration rayee, filetée ou héllcoidale décrite ci-dessous, plus la vitesse du fluide de refroidissement liquide est élevée, plus la force avec laquelle il est projeté suivant un mouvement tourbillonnaire vers le côté avant du canal - à partir duquel la plus grande quantité de chaleur doit être préle- vée - est élevée. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Fig. 1, une vue, avec coupe et arrachement partiels, repré- sentant le pied, la plateforme et la pale d'une aube mobile de turbine refroidie par liquide Fig. 2, une vue en coupe faite suivant la ligne 2-2 de la Fig.l sur laquelle le revêtement de la pale a été en partie enlevé pour montrer la position et le raccordement des canaux de refroidissement et des conduits d'alimentation Fig. 3, une vue à trois dimensions, avec coupe et arrachement partiels, montrant l'utilisation de la présente invention, sous la forme d'une configuration hélicoîdale en creux ; et Fig. 4, une vue à trois dimensions, avec coupe et arrachement partiels, montrant l'utilisation de la présente invention sous la forme d'une configuration hélicoïdale en relief Le type particulier de construction d'aube représenté sur les Fig. 1 et 2 et décrit ici ne constitue qu'un simple exemple d'application et l'invention est, d'une manière générale, applicable à toutes les aubes mobiles de turbine refroidies par liquide en circuit ouvert utilisant des passages de fluide de refroidissement disposés au-dessous de sa surface. L'aube mobile 10 de turbine est constituée par un revêtement -11, lia, de préférence en un matériau résistant à la chaleur et à l'usure, fixé à une âme d'aube monobloc 12 (c'est-à-dire comprenant une partie de pied, une partie de plateforme et une partie de pale). La partie de pied 13, comme représentée, est formée avec la configuration en queue d'aronde classique au moyen de laquelle l'aube 10 est retenue dans la fente 14 de la jante 16 de la roue. Chaque rainure 17 formée dans la surface de la partie de plateforme 18 communique avec une rainure similaire 19 ménagée dans la surface de la partie de pale. 21 de l'rame 12. La partie de pale 21, en combinaison avec le revêtement 11, forme la pale de l'aube. Les passages de fluide de refroidissement peuvent être délimités par le revêtementll et les rainures 19, comme représenté, ou ils peuvent être constitués par des tubes préformés encastrés dans les rainures évidée-s 19 ou encore ils peuvent être délimités par -l'âme 12 et par des passages évidés dans le revêtement 11 comme représenté dans le brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3.619.076 cidessus mentionné.Comme précédemment indique, l'utilisation de tubes préformés de cette manière est, en soi, une autre invention. Le fluide de refroidissement liquide est canalisé par les passages de fluide de refroidissement à une distance approximativement uniforme de la surface extérieure de l'aube 10. Aux extrémités radialement extérieures des passages. à fluide de refroidissement situés sur l'intrados de l'aube 10, ces passages se terminent dans une tubulure collective 22 avec laquelle ils communiquent, la tubulure 22 étant ménagée dans la partie de pale 21. Sur l'extrados de l'aube 10, les passages ou canaux de fluide de refroidissement se termi- nent dans une tubulure similaire (non représentée) ménagée dans la partie de pale 21. A proximité du bord de fuite de l'aube 10, un conduit de raccordement (dont on a représenté l'ouverture 23)ire- lie la tubulure située sur l'extrados à la tubulure 22.Le refroidissement en circuit ouvert s'effectue en pulvérisant un liquide de refroidissement (habituellement de l'eau) à faible pression dans une direction approximativement radiale vers l'extérieur à partir d!ajutage3(non représentés ) montés de chaque côté du disque du rotor. Le fluide de refroidissement est reçu dans une gouttière annulaire, qui n'a pas été représentée en détail, formée dans une bague annulaire 26. Cette bague et l'écoulement du fluide de refroidissement dans et hors de la gouttière ont été décrits de manière plus détaillée dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique précité. Le fluide de ref-roidissement liquide reçu dans les gouttières est envoyé dans des réservoirs 27 par des trous d'alimentation (non représentés) qui relient les gouttières aux réservoirs, réservoirs qui se prolongent chacun dans une direction parallèle à l'axe de rotation du disque de turbine. Le fluide de refroidissement liquide s'accumule de façon à remplir chaque réservoir 27 (dont les extrémités sont fermées au moyen d'une paire de plaques de fermeture 28). Le fluide de refroidissement liquide continuant de parvenir à chacun des réservoirs 27, le liquide en excès se déverse par dessus le sommet du déversoir 29 sur toute la longueur de ce dernier et est, de ce fait, distribué d'une manière dosée à une face de l'aube 10 ou à l'autre. Le fluide de refroidissement qui s'est déversé par dessus le sommet d'un déversoir 29 donné continue de se déplacer dans une direction générale radiale pour pénétrer dans une gouttière 31 formée longitudinalement dans la plateforme, avec une distribution du type film, passant ensuite dans les trous 32 d'alimentation des canaux de liquide de refroidissement.Le fluide de refroidissement s'écoule des trous 32 jusqu'à la tubulure 22 (et la tubulure de l'extrados non représentée) en passant par les passages de fluide de refroidissement formés dans la plateforme et dans la pale Le fluide de refroidissement circulant au-dessous des surfaces de la partie de plateforme et de la partie de pale, ces éléments sont refroidis, une certaine quantité de fluide de refroidissement étant convertie en gaz ou vapeur lorsqu' il absorbe la chaleur, cette quantité dépendant des quantités relatives de fluide de refroidissement utilisées et de la chaleur rencontrée.La vapeur ou gaz et tout fluide de refroidissement liquide restant sortent de la tubulure 22 par une ouverture 33, de préférence pour pénétrer dans une fente collectrice (non représentée) formée dans l'enveloppe, en vue d'une recirculation éventuelle ou de l'évacuation du liquide éjecté. La quantité de fluide de refroidissement admise dans le système en vue de circuler dans les passages de fluide de refroidissement peut varier et, dans le cas où le débit de fluide de refroidissement est minimal et où il existe un flux calorifique élevé, un assèchement nuisible des passages à fluide de refroidissement peut se produire. Dans le mode de réalisation considéré actuellement comme le meilleur (tel que représenté sur les Fig. 3 et 4), l'intérieur des passages de fluide de refroidissement d'une aube mobile de turbine refroidie par liquide est muni d'une configuration file -tée, rayée ou autre configuration hélicoïdale en creux ou en relief, de façon à impartir un mouvement tourbillonnaire au fluide de refroidissement s'écoulant radialement vers l'extérieur sous l'influence de la force centrifuge avec une composante de force qui provoque par centrifugation l'éloignement du liquide de sa disposition le long du bord arrière accroissant ainsi la superficie des passages de fluide de refroidissement avec lesquels le fluide de refroidissement liquide est en contact. Ainsi, dans le mode de réalisation représenté sur la Fig. 3, la configuration hélicoidale est constituée par des rayures 41 ménagées dans la surface de la rainure 19. La rayure 41 peut être moulée ou forgée dans les canaux 19 de l' me 12 de l'aube au cours de la fabrication de cette dernière. Comme indiqué, une configuration hélicoïdale partielle (c'est-à-dire discontinue au niveau du revêtement 11) est suffisante. Bien qu'on ait seulement représen té une courte longueur du canal 19, cette construction hélicoïdale est disposée à des intervalles appropriés sur la plus grande partie de la longueur de la partie, formée par la rainure 19, des passages de fluide de refroidissement. Dans la construction de la Fig. 4, un élément à configuration hélicoldale en relief 42 est fixe à l'intérieur d'un tube préformé 42, cet élément pouvant être introduit dans le tube de la manière décrite dans l'exemple donné ci-après ou pouvant, par exemple, être imprimé dans la paroi du tube l9a au cours du processus d'étirage du tube. On a réalisé un-passage de fluide de refroidissement du type représenté sur la Fig. 4 en assemblant un fil métallique enroulé en hélice à l'intérieur d'un tube d'acier inoxydable. Suivant le procédé utilisé on a enroulé un tronçon de fil de nickel de 0,76 mm environ de diamètre autour d'un mandrin de 0,89 mm environ de diamètre pour former un enroulement hélicoïdal. Cet enroulement héli cotidal a été ensuite cuivré et introduit dans un tube d'acier inoxydable NO 347, qui avait un diamètre extérieur d'environ 3,17 mm et un diamètre intérieur d'environ 2,54 mm. La section du tube d'acier a ensuite été réduite par étirage à un diamètre extérieur d'environ 2,97 mm, assurant ainsi une adaptation serrée entre l'en- roulement hélicoldal et l'intérieur du tube d'acier inoxydable. On a ensuite chauffé cet assemblage de façon à former une zone de liaison alliée entre les éléments en nickel, cuivre et acier inoxydable. On a alors introduit cet ensemble solidarisé dans une chemise de cuivre à laquelle on l'a assemblé, ce nouvel assemblage étant usiné de façon à pouvoir être adapté à l'intérieur d'un appareil d'essai spécial servant à effectuer des essais d'échange de chaleur. Le rendement global d'échange de chaleur obtenu avec la nouvelle construction a été supérieur à celui de passages de fluide de refroidissement simples non rainurés de mêmes diamètres, fabriqués dans les mêmes matières (moins l'enroulement hélicoïdal) et montés de la même manière dans l'appareil d'essai rotatif. REVENDICATIONS 1 - Aube mobile de turbine refroidie par liquide comprenant une pale, une plateforme et un pied, au moins la pale comportant plusieurs passages de fluide de refroidissement disposés au-dessous de sa surface et s'étendant le long de son intrados et de son extrados, aube caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens pour provoquer un mouvement tourbillonnaire du fluide de refroidissement liquide étant simultanément sous l'influence d'une force centrifuge, les moyens servant à provoquer le mouvement tourbillonnaire étant situés à l'intérieur de passages de fluide de refroidissement distincts. 2 - Aube selon la revendication 1 caractérisée en ce que les moyens servant à provoquer le mouvement tourbillonnaire sont dis-posés le long d'un passage à fluide de refroidissement suivant une configuration générale hélicoïdale. 3 - Aube selon la revendication 2 caractérisée en ce que les moyens de configuration hélicoïdale font saillie au-dessus de la surface intérieure du passage de fluide de refroidissement. 4 - Aube selon la revendication 2 caractérisée en ce que les moyens de configuration hélicoïdale sont creusés dans la surface intérieure du passage de fluide de refroidissement. 5 - Aube selon la revendication 2 caractérisée en ce que la configuration hélicoïdale est périodiquement interrompue. 6 - Procédé de refroidissement par liquide en circuit ouvert d'une aube mobile de turbine du type suivant lequel un fluide de refroidissement liquide est fourni aux extrémités radialement intérieures d'une série de passages de fluide de refroidissement disposés au-dessous de la surface et s'étendant au-dessous de l'intrados et de l'extrados de la pale de l'aube de façon à parcourir les passages de fluide de refroidissement sous l'influence-d'une force centrifuge agissant radialement, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre le fluide de refroidissement liquide contenu dans au moins un pa-ssage de fluide de refroidissement à une seconde force centrifuge agissant suivant un axe orienté.suivant le direction générale dans laquelle s'étend le passage à fluide de.refroidissement de telle sorte que la superficie de la paroi interne recevant du fluide de refroidissement liquide dans chacun des passages de fluide de refroidissement distincts soit considérablement accrue. 7 - Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que le fluide de refroidissement liquide estde l'eau. 8 - Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que le fluide de refroidissement liquide se déplace le long des passages de fluide de refroidissement suivant un trajet approximativement hélicoïdal.