Brevet FR2465068A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne une structure de refroidissement d'aubes et plus précisément d'aubes de stator de machine. rotative et plus précisément d'aubes disposées-sur le parcours de gaz à haute température dans une telle machine; Les principes ont été développés dans l'industrie des moteurs à turbine à gaz pour l'utilisation d'aubes de turbine des moteurs à turbine à gaz mais sont également applicables à d'autres structures similaires à d'autres machines utilisant des fluides moteurs à haute température. L'état de la technique le plus significatif se rapprochant le plus des principes de la présente invention se trouve dans le domaine des moteurs à turbine à gaz. Dans ce domaine, un air de refroidissement sous haute pression passe au travers de l'intérieur des aubes d'un ou plusieurs étages de stator pour protéger les aubes des effets nuisibles des gaz à haute température. Différents principes de refroidissement sont mis en oeuvre,y compris les principes combinés de refroidissement par chocs"et par lonvection"décriu dans les brevets US numéroes3 540 810 et 3 767 322. Dans chacun de ces brevets un air de refroidis- sement sous haute pression est amené à l'intérieur de l'aube de la turbine et est réparti autour de la surface intérieure de l'aube au moyen d'un tube o pièce intercalée à l'inté- rieur de la structure de l'aube. Dans chacune de ces structures, le tube ou pièce intercalée est écarté de l'intérieur de la paroi de la partie aérodynamique de sorte que l'air de refroidissement puisse passer entre le tube ou pièce intercalée et la paroi. Le refroidissement dû à une décharge sous vitesse élevée contre la paroi est connu dans l'industrie sous la désignation refroidissement "par chocs". Le refroidissement du au passage le long de l'espace entre le tube ou pièce intercale et la paroi est connu dans l'industrie sous la désignation refroidisse- ment "par convection". Pour garantir un refrddissement efficacer il est essentiel qu'un gradient de pression soit maintenu à tous les points au travers du tube ou pièce intercalée. Le maintien d'un gradient de pression très substantiel dans des structures refroidies "par chocs" -2- est particulièrement nécessaire pour que l'air de refroidisse- ment soit accéléré efficacement au travers de la pièce intercalée pour atteindre des vitesses permettant d'obtenir les chocs. Eviter le passage de l'air de passage de refroidisse- ment autour, plutôt qu'au travers de la pièce intercalée dans l'espace entre la pièce intercalée et la paroi de la pièce aérodynamique est un facteur primordial dans toutes les structures. Les tolérances initiales doivent être étroitement surveillées et les effets de la dilatation thermique différentielle et des distorsions entre la pièce intercalée et l'aube doivent être limités. Dans le brevet US No. 3 767 322 la partie radialement externe de la pièce intercalée est fixée directement à la partie radialement externe de l'aube pour éviter une fuite entre ces deux parties. Similairement dans le brevet US numéro 3 540 810 la pièce intercalée est fixée sous forme de structure à pièce unique à l'aube de sorte que la totalité du fluide de refroidissement est forcé dans l'intérieur creux de la pièce intercalée. Les deux structures sont des formes rigides qui peuvent induire des contraintes mécaniques élevées et/ou une distorsion thermique sévère dans les pièces intercalées. Bien que ces structures connues puissent éviter toute fuite du fluide de refroidissement entre le tube ou pièce intercallée et la paroi de la partie aérodynamique, des structures moins rigides ayant moins tendance à être sensibles aux contraintes et distorsions thermiques sont recherchées par les scientifiques et les ingénieurs de l'industrie. Selon la présente invention, la pièce intercalée de l'aube à refroidir est fixée rigidement à une extrémité de l'aube et peut glisser autour d'un tube d'amenée de avec jeu l'air de, refroidissement de dimensions/étroitement ajustées à l'autre extrémité de celle-ci pour permettre le réglage de la fuite entre la pièce intercalée et l'aube à l'extrémi- té glisseuse sans induire des contraintes mécaniques ou déformations significatives dans la pièce intercalée. Une caractéristique principale de la présente invention est la pièce intercalée pour distribuer l'air -3- de refroidissement autour de l'intérieur de l'aube. La pièce intercalée est attachée fixement à une extrémité et peut glisser à l'extrémité opposée par rapport à la paroi interne de l'aube. L'extrémité glisseuse comorend une plaque de fermeture qui est pénétrée par un tube de section transversale circulaire pour l'admission de l'air de refroidissement à l'intérieur de la pièce intercalée Une caractéristique importante de l'invention est la capacité de la structure de fournir des quantités convenables, mais judicieuses de fluide de refroidissement à l'intérieur de la pièce intercalée sans induire de contraintes mécaniques dans la pièce intercalée. La fuite potentielle de quantités substantielles de fluide de refroidissement entre la pièce intercalée et la paroi interne de l'aube est éliminée en réalisant un ajustement avec jeu étroitement réglé entre la plaque terminale de la pièce intercalée et le tube d'amenée de l'air de refroidissement. Les contraintes et déformations de la pièce intercalée dues à la dilatation thermique différentielle sont éliminées en réalisant un ajustement avec jeu entre la pièce intercalée et les parois internes des aubes. Pour que l'invention puisse être mieux comprise référence est faite aux figures suivantes o: la figure 1 est une coupe simplifiée d'une aube de sttor réalisée en appliquant les principes de la présente invention, et la figure 2 est une coupe le long de la ligne 2-2 de la figure 1 qui représente la diminution de la zone de fuite potentielle qui peut être obtenue en utilisant les principes du tube d'amenée selon la présente invention. L'appareil de la présente invention-est utilisable dans le domaine des moteurs à turbine à gaz et est décrit en rapport avec des modes de réalisation de moteurs à turbine à gaz. Comme on peut le voir dans la figure 1, une aube de stator du type utilisé dans un moteur à turbine à gaz comprend une partb aérodynamique 10, une plate-forme externe 12 et une plate-forme interne 14. Dans les moteurs modernes, les gaz moteunsà température supérieure à 1370 C -4- peuvent passer sur la surface externe 16 de la partie aérody- namique et sur les surfaces terminales 18 des plate-formes. Dans de tels milieux la paroi 20 de la partie aérodynamique et les parois 22 des plate-formes sont refrddies pour empêcher la détérioration de la matière qui les constitue. Chaque aube comprend une cavité interne creuse 24 dans laquelle l'air passe pour refroidir la paroi 20 de la partie aérodynamique.-Une pièce intercalée tubulaire 26 est écartée de la surface interne 28 de la paroi 20 et comprend une multiplicité d'ouvertures 30 pour la distri- bution de l'air de refrddissement contre la surface interne. La pièce intercalée tubulaire est fixée à une extrémité par soudage ou brasage à l'extrémité 32 de la plate-forme interne. L'extrémité opposée 34 de la pièce intercalée tubulaire est libre de glisser le long de la surface intérieure 28 et est de préférence pourvue d'un ajustement avec jeu entr'eux pour permettre un glissement libre sans contrainte de la pièce intercalée par rapport à la paroi. Un jeu convenable entre la pièce intercalée et la surface 28 est prévu et peut être réparti librement sans tenir compte de la fuite de l'air de refroidissement comme c'était le cas dans les structures connues. L'extrémité 34 de la pièce intercalée comprend une-plaque 36 de fermeture au travers de laquelle un tube 38 d'amenée de l'air de refroidissement s'étend. A la fois le tube 38-et l'ouverture dans la plaque de fermeture au travers de laquelle le -tube s'étend, ont une géométrie circulaire. Un ajustement avec jeu est prévu entre la plaque de fermeture et le tube d'amenée de l'air de refroidissement. Le tube d'amenée de l'air de refroidissement est fixé fermement, par exemple par soudage ou brasage, à une seconde plaque termi- nale 42 qui est à son tour fixée par soudage ou brasage à la plate-forme externe de l'aube. Par conséquent, aucun air de refroidissement ne peut s'échapper dans l'espace entre la pièce intercalée et la paroi intérieure de la partie aérodynamique sinon au travers du jeu à l'endroit du tube 36 d'amenée de l'air de refroidissement. Dans le mode de réalisation de la structure d'aube représenté, la plateforme interne 14 comprend une cavité -5- creuse 44 en communication avec la cavité 24 de la partie aérodynamique. Une multiplicité d'orificesde refrkdlissement 46 pénètre la paroi 22 depuis la cavité 44 pour permettre le refroidissement de la paroi. Pendant le fonctionnement de la machine rotative o on utilise l'aubeles gaz moteurs passent sur les surfaces supérieures de la partie aérodynamique. L'air de refroidï3sement peut passer au travers du tube jusqu'à la cavité à l'intérieur de la pièce intercalée. Des parties de l'air de refroidissement peuvent passer au travers de chacun des orifices 30 pour refroidir la paroi proche de la partie aérodynamique. Un gradient de pression sub- stantiel au travers de la pièce intercalée est nécessaire pour garantir un passage convenable de l'air de refroidisse- ment et que celui-ci heurte les éléments à refroidir pour permettre une accélération convenable de l'air de refroidissement et atteindre les vitesses permettant d'obte- nir un refroidissement par chocs.Un gradient de pression convenable au travers de la pièce intercalée est maintenu en empêchant toute fuite excessive et imprévisible de l'air de refroidissement autour de l'extrémité 34 de la pièce intercalée entre la pièce intercalée et la surface interne 28 de la paroi 20. La quantité précise de fuite entr'elles est limitée, non par la zone A découverte entre la pièce intercalée et la paroi mais plutôt par la zone B découver- te entre le tube 28 d'amenée de l'air de refroidissement et la plaque de fermeture 36 comme on peut le voir dans la figure 2. Par conséquent le jeu entre la pièce intercalée et la parroi 20 est rendu convenable pour permettre un glissement sans crainte de fuite excessive. La pièce inter- calée reste sensiblement libre de toute contrainte mécani- que et déformation. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux structures qui viennent d'être décrites uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. -6- Revendications: 1. Structure d'aube de stator refroidissable du type disposé sur le passage des gaz moteurs de haute température d'une machine rotative, caractérisée en ce que cette structure d'aube comprend: une partie aérodynamique comprenant une cavité creuse s'étendant au travers de celleci et comprenant une surface interne définissant cette cavité, une pièce intercalée tubulaire disposée dans cette cavité qui est attachée fixement à une extrémité de la surface interne et peut glisser à l'extrémité opposée par rapport à la surface interne de l'aube. une plaque de fermeture fixée à l'ex- trémité glisseuse de la pièce intercalée et ayant une ouverture:,, un tube passant au travers de cette ouverture de- la plaque de fermeture au travers duquel de l'air de refroidissement peut passer jusqu'à la cavité creuse de la partie aérodynamique. 2. Structure d'aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que cette extrémité attachée fixement de la pièce intercalée est soudée à la surface interne de la partie aérodynamique. 3. Structure d'aubes selon la revendication 1, caractérise en ce que cette extrémité attachée fixement de la pièce intercalée est brasée à la surface interne de la partie aérodynamique. 4. Structure d'aubes selon la revendication 1, caractérisée en ce que ce tube a une géométrie de section transversale circulaire et en ce que cette ouverture dans la plaque de fermeture a une géométrie correspondante de sorte que les dimensions de l'ouverture et du tube correspuxdent étroitement pour permettre de réduire au mini- mum, la fuite de l'air de refroidissement entr'eux. 5. Structure d'aube selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une plate-4rme interne refroidissable comprenant une cavité et ot cette cavitr- de la partie aérodynamique et cette cavité de la plate:Drme interne sontreliées en communiquant pour permettre le passage de l'air de refroidissement depuis le tube jusqu'à la cavité de la - 7 - plate -forme.