Brevet FR2476744A1 — publié le 19810828

L'invention concerne, d'une manière générale, une aube mobile de turbine refroidie par liquide; elle a, plus particulièrement trait à une aube mobile refroidie par con- tact direct avec des écoulements a contre-courant de liquide et de vapeur. Les turbines à gaz à très haute température fonction- nent dans la gamme 1400OC-20000C et permettent d'obtenir un gain de puissance pouvant se chiffrer à 200% avec un rende- ment thermique pouvant être supérieur de 50% par rapport aux turbines à gaz classiques. Les matériaux utilisés pour la fabrication de ces turbines et les conditions de fonction- nement imposent que les aubes mobiles soient refroidies par liquide. Dans le cas d'aubes mobiles classiquement refroidies par de l'eau en circuit ouvert, on a établi que, dans des conditions de fonctionnement spécifiques (concernant, par exemple, la vitesse d'entrée de l'eau, la vitesse de rota- tion, la température du fluide moteur), l'eau circule sous la forme d'un film mince à travers chaque passage de réfri- gérant, l'axe du passage étant orienté sensiblement à angle droit par rapport à l'axe de rotation de la turbine. Le film d'eau est entraîné dans le canal par effet de force centri- fuge en at-teignant une vitesse radiale élevée. Le film est simultanément soumis à une force de Coriolis importante qui, aux vitesses opérationnelles de l'eau de refroidissement fournie, projette le film liquide dans une zone limitée orientée transversalement (ou coin) du passage de réfrigé- rant. Dans des conditions, le film liquide ne recouvre ou n'humidifie qu'une petite partie de la surface totale du pas- sage du réfrigérant, ce qui réduit en conséquence la capa- cité de refroidissement de l'écoulement liquide. Pour un flux de chaleur donné dans chaque passage de réfrigérant, cette limitation de la zone de refroidissement humidifiée se traduit par une température de surface plus élevée du passage de réfrigérant, cette température plus élevée se traduisant elle-même par une température superficielle plus élevée des aubes mobiles et une réduction de la durée de vie de ces aubes. Il serait donc souhaitable d'augmenter la surface humidifiée effective dans chaque passage de réfrigérant quelle que soit la vitesse de circulation du réfrigérant liquide pour réduire la-température superficielle des aubes mobiles et en prolonger la durée de vie. On atteint les objectifs précités en faisant circu- ler le liquide vers l'extérieur et en direction sensiblement radiale, dans des passages de réfrigérant d'une partie en forme de pale des aubes mobiles. La vapeur formée à partir du liquide lors du refroi- dissement des aubes mobiles est entraînée en contact direct et à contrecourant avec le liquide, une partie de ce dernier étant elle-même entraînée comme par effet de cisaillement interfacial, et le liquide ainsi entraîné humidifiant une surface supplémentaire du passage de réfrigérant. Dans l'exem- ple de réalisation recommandé, on a inclu des moyens de dis- persion d'écoulement, afin d'accroître la quantité de liquide pouvant être entraînée par la vapeur. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent: figure 1, une vue en coupe transversale d'un bord du disque de rotor de turbine et d'une aube mobile de tur- bine refroidie par liquide, selon la ligne 1-1 de la figure 2 et conformément à un exemple de réalisation recommandé; figure 2, une vue en coupe de l'aube mobile illus- trée figure 1, dans un plan perpendiculaire à l'axe de rota- tion d'un rotor de turbine associé; figure 3, une vue en coupe de l'aube mobile illus- trée figure 1, selon la ligne 3-3 de cette figure; et figure 4, une vue en coupe d'un passage de réfrigé- rant conforme à l'invention. On a représenté figures 1, 2 et 3 un disque 1 de rotor de turbine dont le bord 2 est pourvu de fentes 3 en forme de queue d'aronde pratiquées dans une direction sensi- blement transversale. Comme représenté, une aube mobile de turbine 4 se compose d'une partie centrale 5 et d'une enve- loppe extérieure de recouvrement 6, de forme aérodynamique comme on peut le voir figure 3. L'aube 4 comporte également un pied 7 dont la forme est complémentaire de celle des fentes 3 et qui est reçu dans l'une de ces fentes, ce qui permet de fixer parfaitement l'aube sur le disque. Cet agen- cement ne fait pas partie de l'invention et il est entendu qu'on peut avoir recours à tout autre mode de fixation. Des passages de réfrigérant 8 sont formés dans une direction sensiblement radiale dans la partie de l'aube en forme de pale. Comme on l'a illustré, les passages de réfri- gérant 8 sont constitués par des tubes cylindriques préfor- més montés dans une matrice en cuivre 10 à l'intérieur de gorges formées sur la partie centrale 5 de l'aube. On notera toutefois que l'invention n'est pas limitée à une forme par- ticulière du passage de réfrigérant ou à un agencement par- ticulier pour former ces passages dans la structure de l'aube. Ainsi, l'invention peut également s'appliquer, par exemple, à une structure monolithique d'aube, avec des passages de réfri- gérant percés radialement sous la surface extérieure. Mais on remarquera que les passages de réfrigérant ayant une section sensiblement circulaire sont préférables pour mettre en oeu- vre l'invention, leur contour courbe facilitant l'étalement du réfrigérant liquide, ce qui permet d'humidifier une plus grande partie de ces passages. Le liquide est admis dans une partie il située radia- lement vers l'intérieur des passages de réfrigérant 8, par des moyens d'entrée de liquide appropriés. Comme illustré figures 1 et 2, un liquide tel que de l'eau est fourni par une source de réfrigérant comportant des pulvérisateurs 12, de manière à atteindre des gouttières 13 par l'intermédiaire de passages 14 formés-dans le bord du disque de rotor-de la turbine. Les gouttières 13 communiquent avec des réservoirs de réfrigérant liquide, par l'intermédiaire de tubes 16- d'amenée de liquide; les extrémités de décharge 17 de ces tubes sont pourvues d'embouts d'orientation 18, des éléments de déversement 19 sont solidaires des éléments de plate- forme 20 fixés sur la partie centrale 5. Les réservoirs 15 de réfrigérant liquide communiquent àvec les passages de réfrigérant 8 par l'intermédiaire de plusieurs conduits 21 formés en partie par les éléments de déversement 19 et par la partie centrale 5. Le réfrigérant jaugé circule dans chacun des passa- ges 8 sous l'effet de la force centrifuge, vers l'extérieur et en direction radiale, pour se retrouver dans la partie d'extrémité 22 de l'aube. Des moyens sont prévus, communi- quant avec les parties extérieures et radiales 24 des passa- ges 8, pour la décharge depuis l'aube du réfrigérant liquide. Ces moyens de décharge comportent un dispositif d'étrangle- ment de l'écoulement de vapeur en provenance des passages de réfrigérant. Dans l'exemple illustré figure 1, les moyens de décharge comportent un collecteur de liquide 25 situé- dans la partie d'extrémité 22 de l'aube et communiquant avec les parties d'extrémité extérieures des passages de réfrigé- rant 8. Dans cet exemple, l'écoulement de la vapeur vers les moyens de décharge est réduit par un piège à liquide 26. Ce dernier est constitué par une fente 27 formée dans la par- tie centrale 5 de l'aube. La fente 27 communique, d'une part, avec le collecteur de liquide 25, d'autre part, avec un ori- fice de décharge de liquide 28; L'orifice de décharge 28 est aligné avec la fente de récupération de liquide 29 formée dans le carter 30 de la turbine. Cette fente de récupération reçoit donc-le réfrigérant liquide déchargé par l'orifice 28 pour le remettre en circulation. Dans une variante conforme à l'invention, mais non illustrée, les moyens d'étranglement de la vapeur sont constitués par-un orifice de décharge conçu pour limiter l'écoulement du liquide, ce qui conduit à la formation d'une poche de liquide réduisant l'écoulement de - la vapeur dans les moyens de décharge. Comme on peut le voir figure 2, l'aube mobile com- porte également des moyens pour la décharge de la vapeur. Dans l'exemple représenté, ces moyens sont constitués par un collecteur 32 raccordé, par des conduits 34, à chaque partie 33 de passage de réfrigérant 8. Dans l'exemple de réalisation recommandé, les parties 33 de passage de réfri- gérant, raccordées aux conduits 34, sont situées radialement vers l'intérieur par rapport à la partie de passage 21, de manière à faciliter l'écoulement du liquide comme on le verra dans ce qui suit. On peut voir figure 1 que les moyens de décharge de la vapeur peuvent également comporter un diffuseur convergent- divergent 35 raccordé au collecteur de vapeur 32 par un con- duit 36. Le diffuseur 35 est de préférence disposé de manière à éjecter la vapeur dans une direction permettant d'augmenter la puissance de la turbine. Ainsi, comme on peut le voir fi- gure 3, le diffuseur 35 est disposé de manière à décharger la vapeur, depuis l'aube, dans le sens inverse au sens de rotation du disque 1 de rotor de turbine. Mais il est entendu que l'invention n'est pas limitée à un agencement incluant un diffuseur de décharge de vapeur dans les moyens de décharge de cette vapeur. Dans une variante non illustrée, la vapeur peut être déchargée depuis l'aube, dans un système de récu- pération, par l'intermédiaire d'un conduit situé le long du disque, comme il est décrit dans le brevet des E.U.A.n 4 134 709. En fonctionnement, un écoulement jaugé d'un réfrigé- rant liquide tel que de l'eau est envoyé vers les passages de réfrigérant 8 et circule dans ces passages, radialement et vers l'extérieur, sous l'effet de la force centrifuge. Comme on peut le voir figure 4, le réfrigérant liquide cir- cule le long d'une zone limitée du passage de réfrigérant 8, en raison de la force de Coriolis induite par la rotation du disque 1 et en raison du sens de circulation du réfrigé- rant. Lorsqu'il atteint les parties d'extrémité extérieures des passages 8, le liquide pénètre dans le collecteur de li- quide 25, s'écoule radialement vers l'extérieur de ce collec- teur, en direction du piège à liquide 26.Le réfrigérant liquide est alors déchargé de l'aube de turbine par l'orifice 28 et - se retrouve dans la fente 29 du carter de turbine. La décharge de la vapeur formée au cours de la tra- versée des passages 8 par le réfrigérant à liquide est étran- glée au niveau du piège liquide 26 des moyens de décharge. La vapeur est donc forcée de s'écouler par les passages de réfrigérant 8, à contre-courant de là circulation de l'eau. Le liquide est entraîné par le flux de vapeur avec un effet de cisaillement interfacial entre les deux courants contrai- res. On peut accroître l'effet d'entraînement de la vapeur en disposant, selon-une variante conforme à l'invention, des moyens de dispersion de liquide dans les passages de réfrigé- rant 8. Ces moyens de dispersion de liquide peuvent être cons- titués par des indentations en saillie, dirigées vers l'exté- rieur à partir de la périphérie interne de la paroi du pas- sage de réfrigérant, dans le trajet de circulation du liquide. Des gouttelettes sont ainsi formées lorsque le liquide cir- cule sur les moyens de dispersion, et ces gouttelettes se retrouvent dans le trajet d'entraînement du flux de vapeur circulant à contre-courant. - Le sens de la force de Coriolis est en partie fonc- tion du sens de circulation de l'écoulement considéré. Par suite, puisque le flux de vapeur est à contre-courant de l'écoulement de liquide, la force de Coriolis résultante sur la vapeur et sur le liquide entraîné est de sens prati- quement opposé au sens de circulation du liquide. Comme on le voit figure 4, le liquide entraîné dans le flux de vapeur est refoulé contre les parties de la paroi du passage de ré- frigérant précédemment non humidifiées par le liquide en circulation, de telle sorte qu'est accrue la capacité de transfert thermique des canaux de réfrigérant. Des essais effectués sur un agencement à tubes refroidis par de l'eau, avec les dispositions conformes à l'invention, ont démontré qu'il y a accroissement de l'ordre de 50% de la quantité de chaleur transférée, tout en maintenant l'ensemble à une tem- pérature donnée. R E V E N D I C A T I O N S 1. Aube mobile de turbine refroidie par liquide, destinée à être montée sur un disque de rotor de turbine, pourvue d'une partie d'extrémité extérieure et d'une partie en forme de pale située radialement à l'intérieur par rap- port à cette partie d'extrémité, caractérisée en ce qu'elle comporte: des passages de réfrigérant (8) orientés radiale- ment et situés dans la partie en forme de pale (5,6); 10. des moyens (12,14,13,16,15) pour envoyer le li- quide dans ces passages au niveau d'une première de leurs parties (11) située radialement vers l'intérieur de la par- - tie en forme de pale; des moyens (25,28,29) pour décharger le liquide depuis l'aube, communiquant avec les parties d'extrémité extérieures (24) des passages de réfrigérant, les moyens de décharge comportant un dispositif d'étranglement (26) du flux de vapeur en provenance de ces passages et se dirigeant vers ces moyens de décharge; et 20. des moyens (34,-32) pour décharger la vapeur depuis l'aube, communiquant avec les passages de réfrigérant au ni- veau d'une deuxième de leurs parties (33) située radialement vers l'intérieur de la partie en forme de pale. 2. Aube mobile de turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une deuxième partie (33) des passages de réfrigérant, qui communique avec les moyens de décharge de vapeur, est située radialement vers l'intérieur de la partie en forme de pale, par rapport à la première partie (11) au niveau de laquelle est admis le liquide. 3. Aube mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de décharge de la vapeur comportent un diffuseur (35) communiquant avec au moins une partie des deuxièmes parties (33) des passages de réfrigérant, et placé de manière à éjecter la vapeur, depuis l'aube, dans le sens inverse au sens de rotation du disque de rotor de turbine. 4. Aube mobile selon la revendication 3, caractérisée en ce que les. moyens de décharge de la vapeur comportent au moins un collecteur de vapeur (32) communiquant avec le dif- fuseur (35) et au moins une partie des deuxièmes parties (33) des passages de réfrigérant. 5. Aube mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de décharge du liquide comportent un collecteur de liquide (25) situé dans la partie d'extrémité de l'aube et communiquant avec les parties d'extrémité exté- rieures (24) des passages de réfrigérant (8), avec un ori- fice (28) pour décharger le réfrigérant liquide depuis l'aube de turbine. 6. Aube mobile selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens de décharge du liquide comportent un piè- ge à liquide (26) placé dans la partie d'extrémité précitée de l'aube, communiquant avec le collecteur de liquide (25), et situé entre ce collecteur et l'orifice de décharge (28) du réfrigérant liquide. 7. Aube mobile selon la revendication 1, caractérisée - en ce que les passages de réfrigérant (8) ont une section sen- siblement circulaire. 8. Aube mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte, de plus, des moyens de dispersion de liquide situés dans les passages de réfrigérant (8). 9. Aube mobile de turbine refroidie par liquide, des- tinée à être montée sur un disque de rotor de turbine, pour- vue d'une partie d'extrémité extérieure (24) et d'une partie en forme de pale située radialement à l'intérieur par rapport à cette partie d'extrémité, caractérisée en ce qu'elle com- porte: des passages de réfrigérant (8) orientés radiale- ment et situés dans la partie en forme de pale (5,6); des moyens (12,14, 13,16,15) pour envoyer le liquide dans ces passages au niveau d'une première de leurs parties (11) située radialement vers l'intérieur de la partie en forme de pale; 35. des moyens de décharge du liquide depuis l'aube, comportant un collecteur de liquide (25) situé dans la par- tie d'extrémité (22) de l'aube, communiquant avec les par- ties d'extrémité extérieures (24) des passages de réfrigérant, -2476744 un orifice (28) par lequel est déchargé le réfrigérant liquide et qui communique avec le collecteur par l'intermé- diaire d'un dispositif (26) d'étranglement de la vapeur; et des moyens de décharge de la vapeur depuis l'aube, comportant au moins un collecteur de vapeur (32) communiquant avec les extrémités intérieures (33) des passages de réfri- gérant, et un diffuseur (35) communiquant avec le collecteur de vapeur et placé de manière à éjecter la vapeur dans le sens inverse au sens de rotation du disque de rotor de turbine. 10. Procédé de refroidissement d'aubes mobiles de tur- bine, ces aubes étant montées sur le disque de rotor de la turbine et entraînées en rotation autour de l'arbre de la turbine, et comportant des passages de réfrigérant orientés radialement dans une partie en forme de pale, les extrémités extérieures des passages de réfrigérant se situant dans la partie d'extrémité des aubes, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste: à à envoyer un réfrigérant liquide au niveau d'une première partie (11) des passages (8) qui se situe radiale- ment vers l'intérieur de la partie en forme de pale; à entraîner le réfrigérant liquide radialement vers l'extérieur sous l'effet de la force centrifuge, dans ces pas- sages; à refroidir une première partie courbe de la paroi des passages par contact avec le réfrigérant liquide ainsi entraîné, ce réfrigérant liquide étant par suite chauffé et passant au moins partiellement en phase vapeur; f à étrangler le flux de réfrigérant vaporisé au ni- veau de la partie d'extrémité (22) de l'aube; 30. à décharger le réfrigérant liquide depuis cette partie d'extrémité; à refouler le réfrigérant vaporisé, radialement et vers l'intérieur, par les passages de réfrigérant de manière qu'il soit en contact avec le réfrigérant liquide entraîné; 35. à prévoir des moyens de décharge de la vapeur (32) communiquant avec les parties d'extrémité intérieures (33) des passages; et aà décharger le réfrigérant vaporisé par l'inter- médiaire de ces moyens de décharge. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il consiste à entraîner une partie du réfrigérant liquide dans le courant refoulé de réfrigérant vaporisé, de telle sorte qu'une deuxième partie courbe de la paroi des passages est refroidie par contact avec cette partie de ré- frigérant liquide. 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il consiste, de plus: à disperser le réfrigérant liquide entraîné radia- lement vers l'extérieur par les passages, de manière à for- mer des gouttelettes de liquide; à entraîner au moins une partie de ces gouttelet- tes dans le flux de réfrigérant vaporisé refoulé radiale- ment vers l'intérieur par les mêmes passages. 13. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il consiste à décharger le réfrigérant vaporisé, par l'intermédiaire des moyens de décharge, dans le sens inverse au sens de rotation du disque de rotor de la turbine.