Brevet FR2488327A1 — publié le 19820212

L'invention concerne un système de refroidissement perfectionné pour turbine à gaz. Elle a plus particulièrement trait à un système de refroidissement perfectionné qui utilise des dispositifs de résistance à l'écoulement pour doser l'agent de refroidissement dirigé vers des canaux de refroidissement de plateforme et de pale situés dans les aubes mobiles de la turbine à gaz. On utilise le système de refroidissement conforme à l'in- vention dans uneturbine à gaz du type comportant un disque de turbine monté sur un arbre qui est supporté de manière à pouvoir tourner dans un carter, ainsi que des aubes mobiles de turbine orientées radialement vers l'extérieur à partir du disque. Chaque aube mobile comporte une partie d'encastrement montée dans le disque, un talon orienté radialement vers l'extérieur depuis la partie d'encastrement jusqu'à une plateforme, et une pale orientée radialement vers l'extérieur depuis la plateforme. En cours de fonctionnement, les aubes mobiles reçoivent une force propulsive à partir d'un fluide chaud qui se déplace dans une direction sensiblement parallèle à l'axe de l'arbre et transforment cette force propulsive en un mouvement de rotation qui est transmis à l'arbre par l'in- termédiaire du disque de turbine. Le fluide chaud étant à une température relativement élevée, une quantité importante de chaleur est transmise aux aubes mobiles de la turbine. Pour éliminer cette chaleur de la structure d'aubes, on a mis au point un grand nombre de systèmes de refroidissement par liquide en circuit ouvert. On trouvera des exemples de ces systèmes décrits dans les brevets des Etats Unis d'Amérique n0 3 658 439, 3 804 551 et 4 017 210. Les systèmes de refroidissement par liquide en circuit ouvert sont particulièrement intéressants car ils rendent possible l'accroissement de la température d'admission de la turbine dans une gamme de fonctionnement se situant entre 13700C environ et au moins 1920'C, ce qui permet d'obtenir un accroissement de la puissance développée se situant entre 100% et 200% environ ainsi qu'un accroissement du rendement thermique pouvant atteindre 50%. Dans les systèmes de refroi- dissement par liquide en circuit ouvert, l'agent de refroidis- sement liquide doit être également réparti vers les canaux de refroidissement de plateforme et de pale formés dans l'aube mobile. Une telle répartition est difficile à obtenir car les vitesses d'extrémité d'aube sont extrêmement élevées et engendrent des champs centrifuges de l'ordre de 25.000 g. Pour obtenir un écoulement régulier de l'agent de refroi- dissement liquide dans les divers canaux de refroidissement, on utilise dans les systèmes antérieurs, par exemple dans les systèmes des brevets des Etats Unis d'Amérique n0 3 804 552 et 4 017 210, des structures de déversement qui dosent la quantité de liquide de refroidissement fournie à chaque canal, à partir de nappes d'agent de refroidissement liquide formées dans la plateforme de l'aube mobile. Plus précisément, ces systèmes introduisent l'agent de refroidissement dans chaque extrémité d'un auget formé dans la plateforme de l'aube, de telle sorte que cet agent de refroidissement circule dans une direction parallèle à l'axe de rotation du disque de turbine, à partir de chaque extrémité de l'auget. L'agent de refroidissement s'écoule au-dessus de la partie supérieure d'un dispositif de déversement allongé qui effectue le dosage pour chaque canal. Pour que le fonctionnement soit satisfaisant, il est essentiel que la partie supérieure de ces dispositifs de déver- sement soit parallèle à l'axe de rotation de la turbine, la fourchette de tolérance étant de quelques millimètres. Si cette condition n'est pas respectée, la totalité de l'agent de refroidissement circulera sur l'extrémité inférieure du dispo- sitif de déversement, de sorte que certains des canaux de refroidissement formés dans la plateforme et la pale de l'aube ne seront pas alimentés. Pour éviter les inconvénients des structures de dosage antérieures, on utilise conformément à l'invention, des dispositifs de résistance à l'écoulement qui dosent l'eau introduite dans chaque canal de refroidissement d'aube mobile. Ces dispositifs ne nécessitent pas une surface d'eau uniforme et stable pour assurer un dosage précis. L'écoulement, dans un dispositif de résistance, étant en principe proportionnel à la racine carrée de la charge de pression (soit H1/2), les débits d'écoulement des dispositifs de déversement sont au mieux sensiblement proportionnels à la charge de pression et peuvent être de l'ordre de H5/2; Par suite, le système de répartition d'agent de refroi- dissement liquide conforme à l'invention comporte: - des canaux de refroidissement de talon situés dans le talon de l'aube mobile de turbine et se prolongeant par des canaux de refroidissement de plateforme situés dans la plate- forme de l'aube mobile de turbine, ces derniers canaux se prolongeant par des canaux de refroidissement de pale situés dans la pale de l'aube mobile de turbine, et - des moyens de dosage recevant l'agent de refroidissement depuis une source d'agent de refroidissement liquide et répar- tissant également cet agent de refroidissement dans les canaux d'alimentation en agent de refroidissement de la plateforme, les moyens de dosage comportant des dispositifs de résistance à l'écoulement. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent: - figure 1, une vue en perspective d'un premier exemple de réalisation du système de refroidissement perfectionné conforme à l'invention, - figure 2, une vue de côté d'une aube mobile de turbine avec canal de répartition formé conformément à l'invention. - figure 3, une vue éclatée d'un canal de répartition du système de refroidissement de la figure 1, - figure 4, une vue mettant en évidence la relation entre l'organe intérieur à canal de répartition de la figure 3 et certains canaux de refroidissement formés dans le carter extérieur du canal de répartition de la figure 2, - figure 5, une vue en coupe transversale selon la ligne 6-6 de la figure 4, représentant un premier exemple de réalisa- tion d'un dispositif de résistance à l'écoulement pouvant être utilisé conformément aux principes de l'invention, - figure 6, une vue en coupe transversale selon la ligne 6-6 de la figure 4, représentant un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif de résistance à l'écoulement pouvant être utilisé conformément aux principes de l'invention, - figure 7, une vue en coupe transversale selon la ligne 6-6 de la figure 4, représentant un troisième exemple de réalisation d'un dispositif de résistance à l'écoulement pouvant être utilisé conformément aux principes de l'invention, - figure 8, une vue en coupe transversale selon la ligne 8-8 de la figure 7, - figure 9, une vue en coupe transversale représentant les passages intérieurs du dispositif de résistance àl'écoule- ment de la figure 7, et - figure 10, une vue en coupe transversale selon la ligne -10 de la figure 7. On a donné les mêmes références numériques aux mêmes éléments des dessins, et on a représenté figure 1 une aube mobile de turbine conforme à l'invention et portant la réfé- rence générale 10. L'aube mobile 10 comporte une partie d'en- castrement:12, un talon 14, une plateforme 16 et une pale 18. La partie d'encastrement 12 est encastrée dans un disque de rotor de turbine 20 qui est monté sur un arbre (non représenté), cet arbre étant supporté de manière à pouvoir tourner dans un carter (non représenté). Comme on le sait, une turbine comporte en fait plusieurs aubes mobiles 10 situées à la périphérie du disque de rotor 20. Comme on l'a dit précédemment, l'invention concerne un système de refroidissement perfectionné utilisable avec des turbines à gaz du type représenté figure 1. Un passage 94 dirige l'agent de refroidissement liquide vers un tube d'équilibrage 96 solidaire du canal de répartition 28 qui est situé sous la partie d'encastrement 12 de l'aube mobile 10. La structure du canal de répartition 28 est représentée sur les figures 2-10 et décrite en détails dans ce qui suit. L'agent de refroidis- sement liquide en provenance du passage 94 parvient dans le tube d'équilibrage 96 du canal de répartition 28 et est ensuite dosé pour être dirigé dans des canaux de refroidissement de talon 78 formés dans le talon 14. - On voit mieux figure 4 que des gardes d'eau 98 sont interposés dans les canaux de refroidissement de talon 78 (de préférence à leur partie inférieure) pour permettre le passage de l'agent de refroidissement liquide dans le sens canal de répartition 28--canaux de refroidissement 78, mais interdire le passage de la vapeur formée par l'agent de refroidissement dans le sens canaux de refroidissement-canal de répartition. On voit figure 1 que des canaux de refroidissement de talon 78 se situent entre le canal de répartition 28 et des canaux de refroidissement de plateforme 30 ( dont deux seule- ment sont représentés), ces canaux 30 étant formés dans la plateforme 16 et se prolongeant à leur tour par des canaux de refroidissement de pale 32 formés dans la pale 18. Les canaux de refroidissement de pale 32 sont orientés dans une direction sensiblement radiale sur la totalité du périmètre extérieur de la pale 18, leur rôle étant de refroidir cette pale. On peut voir figure 1 que le canal de répartition 28 comporte une partie supérieure aplatie 22 qui s'adapte à la partie inférieure aplatie 62 de l'aube mobile 10 de la turbine lorsque cette aube et ce canal de répartition sont placés dans l'ouverture en queue d'aronde formée dans le disque de rotor 20. Les deux surfaces plates 62 et 22 sont usinées parallèlement aux parties arrondies de l'ouverture en queue d'aronde, de sorte que le parallèlisme de l'ensemble est maintenu par la force centrifuge appliquée au canal de répartition 28 lorsque la turbine est en rotation. On décrira maintenant en détails la structure du canal de répartition 28 en se reportant aux figures 2 à 10. On peut voir figure 3 que le canal de répartition 28 se compose de deux parties: un carter extérieur 68 et un organe cylindrique 48. Le carter extérieur 68 s'adapte sous la partie arrondie inférieure de l'ouverture en queue d'aronde du disque de rotor 20. Un alésage cylindrique 74 formé dans ce carter extérieur reçoit l'organe 48 usiné de manière a s'adapter dans cet alésage. Des canaux de refroidissement 76 sont formés dans la partie supérieure du carter 68, chaque canal débouchant dans l'alésage et sur la surface plate supérieure 22. Le nombre des canaux de refroidissement 76 est égal au nombre de canaux de refroidissement de plateforme 30, et chacun de ces canaux se raccorde à un canal de refroidissement de plateforme par l'intermédiaire de l'un des canaux de refroidissement de talon 78. La partie centrale de l'organe cylindrique 48 est creuse, se prolonge d'un côté par une partie filetée 82 et, de l'autre côté, par une partie de réception de l'agent de refroidissement 84 pourvue d'un couvercle latéral 50, ce dernier pouvant, si on le souhaite, être formé en même temps que l'organe 48. Le diamètre extérieur de la partie centrale 80 est sensiblement identique au diamètre intérieur de l'alésage 74, de manière à assurer un ajustement serré entre cette partie et l'alésage. La longueur de la partie centrale 80 est égale à la longueur de l'alésage 74, de sorte que les parties 82 et 84 prolongent les extrémités opposées du carter extérieur 68. Lorsque le canal de répartition 28 est placé en position correcte dans l'ouverture en queue d'aronde formée dans le disque de rotor 20 (voir figure 1), la partie filetée 82 se situe dans une ouverture 90 de l'anneau 34. Dans l'exemple de réalisation recommandé, un écrou de maintien 92 s'engage sur la partie filetée 82 et bloque l'anneau 34 sur le disque de rotor 20. La partie de réception de l'agent de refroidissement 84, de l'organe 48 sort de l'extrémité opposée du carter 68. L'agent de refroidissement pénètre dans l'enceinte de distribution 64 par l'intermédiaire du tube d'équilibrage 96 qui communique avec le passage 94 formé dans la partie 34. Des gorges 56 sont formées sur le périmètre extérieur de la partie centrale 80 à des intervalles correspondant à l'espacement entre les canaux de refroidissement 76 formés dans le carter extérieur 68, de sorte que chaque gorge 56 co- opère avec un canal de refroidissement de talon 78. L'agent de refroidissement liquide fourni à l'enceinte de distribution 64 quitte l'organe 48 par des ouvertures de sortie 58 formées dans chaque gorge 56. Un dispositif associé de résistance à l'écoulement 66 (voir figures 5 à 10) est placé entre l'enceinte de distribution 64 et chaque ouverture de sortie 58 pour doser l'agent de refroidissement liquide pénétrant dans une ouverture de sortie considérée. On se reportera figure 4 pour mieux comprendre comment l'agent de refroidissement liquide est fourni aux canaux de refroidissement 76 par l'intermédiaire du canal de répartition 28. On a représenté figure 4 la partie de droite du canal de répartition 28 lorsqu'il est placé en position correcte dans l'ouverture en queue d'aronde formée dans le rotor 20, en dessous de la partie d'encastrement 12 de l'aube mobile 10. Lorsque l'aube tourne autour de l'axe central de la turbine, l'agent de refroidissement est entraîné par la force centrifuge en direction radiale et vers l'extérieur. Dans ces conditions l'agent de refroidissement s'écoule dans le tube d'équilibrage 96, pénètre dans l'enceinte de distribution 64, se rassemblant sur la paroi radialement extérieure de cette enceinte. L'agent de refroidissement se répartit dans le canal de répartition 28 jusqu'à ce que, ayant atteint une hauteur suffisante, il puisse traverser le dispositif de résistance à l'écoulement 66 et s'écouler, par l'ouverture 58, dans la gorge 56. L'agent de refroidissement ainsi dosé s'écoule dans le canal de refroidis- sement correspondant 76 du carter extérieur, puis dans les canaux correspondants de refroidissement de talon 78, de refroidissement de plateforme 30 et de refroidissement de pale 32. On peut utiliser conformément à l'invention trois dispo- sitifs différents de résistance à l'écoulement, tels qu'illus- trés figures 5 à 10. Il est recommandé d'utiliser les dispositifs représentés, mais il va de soi qu'on peut envisager l'utilisation d'un grand nombre d'autres dispositifs de résistance à l'écoulement sans sortir du cadre de l'invention, pour autant que ces dispositifs puissent doser l'agent de refroidissement liquide transféré dans les canaux de refroidissement 76 sans qu'il soit nécessaire de disposer d'une surface d'eau uniforme et stable pour que le dosage soit précis. On a représenté figure 5 un premier exemple de réalisation de dispositif de résistance à l'écoulement. Ce dispositif de résistance à l'écoulement 66 définit un trajet sinueux 88 comportant une série de coudes. Pour que le fonctionnement soit correct, il est essentiel que les passages soient remplis de liquide afin de créer les pertes requises. Cela se fait lorsque l'agent de refroidissement liquide s'écoule radialement vers l'intérieur, à l'encontre du champ "G" comme représenté. Les pertes de charge au niveau de chaque coude contribuent à la résistance totale du passage. Il est possible d'envisager des passages avec une dimension relativement large. Par exemple, il s'est révélé que des passages de dimension transversale minimum égale à 0,63 mm fonctionnent de manière satisfaisante. On peut trouver dans le "Handbook of Hydraulic Resistance" de I.E. Idel'Chik la relation existant entre l'écoulement et la chute de pression, fonction des dimensions et de la forme des éléments coudés constituant le trajet sinueux. Les dimensions et forme particulière de ce trajet sinueux ne font pas partie de l'invention, et on ne décrira donc pas la façon dont ces paramètres affectent les caractéristiques d'écoulement. Le trajet sinueux 88 peut être formé selon une méthode quelconque, mais une méthode relativement simple consiste à empiler des plaques minces 70 comportant chacune une ou des ouvertures pour définir le trajet sinueux 88. Les ouvertures peuvent être formées par exemple par photogravure comme on le fait dans la fabrication de dispositifs hydrauliques. Le fonctionnement du dispositif de résistance à l'écou- lement 66, représenté figure 5, est le suivant. Lorsque les aubes mobiles 10 tournent autour de l'axe du disque de rotor , le champ "G" artificiellement créé entraîne l'écoulement de l'agent de refroidissement liquide dans l'enceinte de - distribution 64-, plaquant cet agent contre la paroi radialement extérieure de cette enceinte. La hauteur d'agent de refroidis- sement s'accroit et atteint celle d'un filtre 72 placé à proximité de l'enceinte de distribution 64. Il existe un filtre 72 pour chaque dispositif de résistance à l'écoulement. La hauteur de l'agent de refroidissement liquide continue à monter le long du trajet sinueux 88 jusqu'à ce qu'elle atteigne le niveau de l'ouverture 58, l'agent de refroidissement pouvant alors s'écouler dans la gorge 56 formée dans le canal de répartition 28. Cet agent pénètre donc dans le canal 76 et dans les canaux de refroidissement de l'aube mobile. En cours de fonctionnement, les débris plus lourds que l'agent de refroidissement liquide sont, sous l'effet de la force centrifuge, maintenus éloignés du filtre 72 et plaqués contre le fond 54 de l'enceinte de distribution 64. Par suite, les ouvertures du filtre 72 n'ont pas besoin d'être plus petites en diamètre que la dimension minimum du trajet sinueux 88. Dans l'exemple de réalisation recommandé, le filtre 72 est une plaque métallique comportant un grand nombre d'ouvertures. On a représenté figure 6 un deuxième exemple de réali- sation de dispositif de résistance à l'écoulement. Dans ce dispositif, on a formé un orifice 46 pour créer les pertes de charge-souhaitées. Un seul orifice 46 a été représenté, mais on peut envisager de former plusieurs orifices. Comme le dis- positif de la figure 5, le dispositif de la figure 6 comporte un filtre 72 destiné à éviter que de petits débris viennent obstruer l'orifice 46. Des essais comparatifs ont révélé que l'écoulement dans les canaux de l'aube varie en fonction de H5/2 lorsqu'on utilise un dispositif de déversement à encoche en forme de V. Dans l'exemple représenté, l'orifice 46 est défini par une saillie formée dans le trajet d'écoulement cylindrique 58. On peut envisager d'autres façons de former cet orifice. On a représenté figures 7 à 10 un troisième exemple de dispositif de résistance à l'écoulement construit conformément aux principes de l'invention. Ce dispositif prend ici la forme d'un certain nombre de chambres à tourbillon 81, 83, 85 et 87. L'agent de refroidissement liquide qui se trouve dans l'enceinte de distribution 64 traverse le filtre 72 et se retrouve dans une première chambre à tourbillon 81 o il est soumis à tur- bulence de manière connue (voir les figures 8, 9 et 10). L'agent de refroidissement ainsi agité quitte la chambre à tourbillon 81 par l'intermédiaire d'une ouverture cylindrique 79 pour pénétrer dans une deuxième chambre à tourbillon 83. Comme on le voit figures 8, 9 et 10, l'agent de refroidis- sement liquide quitte la chambre à tourbillon 83 pour pénétrer dans la chambre à tourbillon 85 par l'intermédiaire d'un passage linéaire 77. Cet agent de refroidissement quitte la chambre à tourbillon 85 par l'ouverture 75 pour pénétrer dans une qua- trième chambre a tourbillon 87 (voir figures 8, 9 et 10). Enfin, l'agent de refroidissement liquide quitte la chambre à tourbillon 87 par le passage 73 pour pénétrer dans la gorge 56 par l'intermédiaire de l'ouverture 58. Après cette description de structures et de fonctionnement des dispositifs recommandés de résistance à l'écoulement, on décrira maintenant comment l'agent de refroidissement circule depuis la source d'agent de refroidissement liquide dans l'ensemble formé par l'aube mobile 10. Les aubes mobiles 10 sont soumises à une force propulsive créée par un fluide chaud qui se déplace dans une direction sensiblement parallèle à l'axe de rotation du disque de rotor 20. La force propulsive créée par le fluide chaud est transmise à l'arbre sur lequel est monté le disque de rotor 20, par l'intermédiaire des aubes mobiles et de ce disque de rotor, ce qui entraîne la turbine en rotation autour de l'axe de l'arbre. La vitesse de rotation élevée du rotor crée une force centrifuge importante qui entraîne l'agent de refroidissement liquide en direction radiale et vers l'extérieur, dans les aubes. Lorsque l'agent de refroi- dissement liquide pénètre dans le passage d'alimentation 94, il est entraîne radialement vers l'extérieur dans le tube d'équi- librage 96 et il se rassemble dans le canal de répartition 28. Lorsqu'il atteint le niveau de débordement dans l'enceinte de distribution 64, l'agent de refroidissement traverse les dispositifs de résistance à l'écoulement 66, pénètre dans les canaux 76, puis dans les canaux de refroidissement de talon 78. L'agent de refroidissement progresse ensuite dans une direction sensiblement radiale dans les canaux de refroidissement de plateforme et de pale 30 et 32, pour parvenir à l'extrémité de la pale 18. Dans l'exemple qui vient d'être décrit, le canal de répartition 28 se situe dans la jante de roue 20, sous l'aube mobile 10. REVENDICATIONS 1. Système perfectionné de refroidissement par agent liquide, pour turbine à gaz du type comportant un disque de turbine (20) monté sur un arbre supporté dans un carter de manière à pouvoir tourner, au moins une aube mobile (10) de turbine orientée radialement vers l'extérieur à partir du disque, cette aube comportant une partie d'encastrement (12) montée dans le disque, un talon (14) prolongeant radialement la partie d'encastrement jusqu'à une plateforme (16), et une pale-(18) prolongeant radialement la plateforme vers l'exté- rieur, système caractérisé en ce qu'il comporte: (a) des canaux de refroidissement (78,-30, 32) formés dans l'aube mobile et se prolongeant dans la pale, et (b) des moyens de dosage recevant l'agent de refroidis- sement liquide depuis une source et répartissant également cet agent de refroidissement dans les canaux de refroidissement, ces moyens de dosage se composant de dispositifs de résistance à l'écoulement (66), chaque dispositif de résistance à l'écou- lement étant associé à un canal de refroidissement (78) pour doser l'agent de refroidissement liquide qui, reçu par les moyens de dosage, pénètre dans le canal de refroidissement considéré. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque dispositif de résistance à l'écoulement (66) définit un trajet sinueux (88) formé par un certain nombre de coudes. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque dispositif de résistance à l'écoulement (66) comporte un orifice (46) de résistance à l'écoulement. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque dispositif de résistance à l'écoulement (66) comporte plusieurs chambres à tourbillon (81, 83, 85, 87). 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de dosage comportent: (1) un tube cylindrique creux (48) pourvu de gorges (56) formées sur sa périphérie extérieure à intervalles déterminés, (2) une enceinte de distribution (64) formée dans le tube cylindrique et se prolongeant au delà de la partie comportant des gorges, (3) un trajet d' tion et chaque gorge, sitif de résistance à permettant le passage vers un canal (78) de 6. Système selon que chaque dispositif un trajet sinueux (88) O' 7. Système selon écoulement entre l'enceinte de distribu- chaque trajet étant formé par un dispo- l'écoulement (66) et chaque gorge (56) de l'agent de refroidissement liquide refroidissement de l'aube. la revendication 5, caractérisé en ce de résistance à l'écoulement (66) définit formé par un certain nombre de coudes. la revendication 5, caractérisé en ce que chaque dispositif de résistance à l'écoulement (66) comporte un orifice (46) de résistance à l'écoulement. 8. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque dispositif de résistance à l'écoulement (66) comporte plusieurs chambres à tourbillon (81, 83, 85, 87). 9. Système selon l'une des revendications 1, 5, 6, 7, 8, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, un filtre (72) entre l'enceinte de distribution et chaque dispositif de résistance à l'écoulement. 10. Système selon l'une des revendications 1, 5, 6, 7, ou 8, caractérisé en ce que les dispositifs de résistance à l'écoulement (66) sont situés radialement vers l'intérieur par rapport à l'enceinte de distribution (64):