Brevet FR2510656A1 — publié le 19830204

Turbine à gaz avec échangeur de chaleur incorporé au carter du stator. La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur qui est incorporé au carter du stator d'une turbine à gaz et qui, en permettant un préchauffage approprié de ce carter du stator avant le démarrage de la turbine et, ensuite, son refroidissement efficace, permet également de ré- duire fortement les di'fficultés liées aux états transitoires de la turbine à gaz et, donc, d'obtenir de la turbine des rendements élevés avec des coûts plus faibles et des dispositions plus simples de construction. Comme il est bi'en connu de l'homme de l'art, on rencontre dans une turbine à gaz, et plus particulièrement dans l'étage de puissance d'une turbine à gaz, des températures élevées qui sont à l'origine de dilatations thermiques des éléments concernés Cependant, alors que le rotor se dilate immédiatement au démarrage de la turbine, du faint que les gaz chauds sont dirigés directement sur les aubes, il faut plus de temps au carter du sta- tor pour se réchauffer et donc se dilater car il est très épais, il est pla- cé plus à l'extérieur et subit un refroidissement plus intense. Par conséquent, afin d'éviter que pendant les états transitoires les parties du rotor, lorsqu'elles sont di'latées,ne puissent frotter contre les parties fixes du stator et provoquer en même temps d'éventuels dommages aux aubes et (ou) aux éléments d'étanchéité, on maintient des intervalles suffisamment larges entre le rotor et le stator des turbines à gaz actuelles mais il en résulte une diminution du rendement de la turbine concernée. L'objet principal de la présente invention est donc d'éliminer ce défaut et de fournir une turbine à rendement élevé, étant donné qu'on peut maintenir des intervalles étroits entre le rotor et le stator dans l'étage de puissance. Cet objet est sensiblement réalisé par le fait que le carter du stator de l'étage de puissance est préchauffé et sa dilatation provoquée avant le démarrage de la turbine, de sorte qu'aucun obstacle ne vient en- suite gêner la dilatation du rotor, malgré le fait que les intervalles entre le stator et le rotor soient maintenus à un minimum, aussi bien à froid qu'en fonctionnement régulier. En outre, ce préchauffage du carter du stator ne s'effectue pas directement, mais indirectement par conduction, étant donné que la présente invention a aussi pour objet d'améliorer le refroidissement du carter du stator en fonctionnement régulier, alors qu'un chauffage direct du carter, dû à la présence d'appareils de chauffage, rendrait à la fois compliquée et encombrante la réalisation de ce dernier objectif. D'autre part, un refroidissement plus efficace du carter du sta- tor dans les, conditions de fonctionnement régulier est nécessaire en vue de réduire au minimum, autant qu'il se peut, la ditlatatiton du carter du stator due à la différence entre la température de préchauffage et la température de fonctionnement régulier, de manière à pouvoir restreindre au minimum les intervalles entre le stator et le rotor en fonctionnement régulier et obte- nir également des résultats utiles quant à l'économie et à la simplification de construction, puisqu'un carter de stator froid n'est pas difficile à cons- truire et peut être constitué d'aciers alliés, c'est-&-dire de matériaux qui ne sont pas trop chers En outre, ce meilleur refroidissement est obtenu in- directement par conduction plutôt que par une action directe sur le carter du stator. En résumé, suivant la présente itnvention, on obtient le préchauf- fage et l'amélioration consécutive du refroidissement du carter du stator de la turbine à gaz, en agissant surun élément intermédiaire de connexion, ou piéce de liaison, qui est thermitquement en contact avec le carter du sta- tor dans la partie aval et qui est réchauffé par un bobinage électrique qui est noyé dans cette pièce de liaison; par contre, cette dernière pièce est refroidie par un courant d'air sous pression aspiré depuis l'étage de compression du générateur de gaz et conduit héli'coïdalement dans une chambre annulaire de la pièce de liaison dans-le sens amont-aval de cette dernière. Plus parti l'extrémité amont d'un élément intermédiaire de connexion (ou pièce de liai- son) dont l'extrémité aval est, à son tour, à la fois à l'avant et coaxiale- ment en contact thermique avec le carter du stator de l'étage de puissance sur une très large surface annulaire Cette pièce de liaison sup- porte, au voisinage de son extrémité amont, un ensemble de tubes radiaux pour conduire l'air de refroidissement des roues du rotor de l'étage de puissance, cet air étant aspiré sous pression depuisun étage de compression du générateur de gaz La turbine à gaz suivant la présente invention se ca- ractértse par le fait que l'élément intermédiaire de connexion, ou pièce de liaison, est équipé d'un bobinage électrique de chauffage noyé sous sa sur- face extérieure, et d'une chambre annulaire interne à l'intérieur de la- quelle un ensemble d'allettes-annulaires verticales constituent un trajet hélicoldal d'écoulement de l'air de refroidissement, cet air étant conduit de l'extrémité aval de la chambre (et donc de la pièce de liaison) à l'ex- trémité amont et à l'intérieur de l'ensemble de tubes radiaux. En outre, suivant une autre caractéristique de la présente in- yentton, cette chambre annulai Ye interne de l'élément intermédiaire de con- nexion, ou pièce de liaison, est alimentée également en air de refroidisse- ment depuis son extrémité amont, les deux courants respectifs d'alimenta- tion, amont et aval, étant régleés par des soupapes spécialement prévues De ce fait, c'est-à-dire au moyen de ces soupapes correctement calibrées, on peut régler également le débit de l'air de refroidissement qui traverse la chambre de l'élément intermédiaire de connexion et, donc, le refroidissement du carter du stator de l'étage de puissance. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la des- cription suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans les- quels: la figure 1 représente une vue de côté, avec coupe partielle, d'une turbine à gaz avec échangeur de chaleur incorporé au carter du stator suitant les enseignements de la présente invention; et la figure 2 est une vue en coupe partielle, beaucoup plus gran- de échelle, de l'échangeur de chaleur représenté à la figure 1. On se reportera maintenant aux dessins La référence générale 1 dé- signe une turbine,& gaz comprenant une gaitne 2 d'entree d'air qui supporte l'extrémité amont d'un générateur 3 de gaz dont l'autre extrémité est fixée à l'extrémité amont 4 ' d'un élément intermédiaire 4 de connexion, ou pièce de liaison, de forme extérieure sensiblement cylindrique L'extrémité aval 4 " de l'élément 4 estfixée, à son tour, par des boulons 5 au carter 6 du stator de l'étage 7 de puissance Ce carter supporte les aubes 8 du stator, tandis que les roues g du rotor, montees sur l'arbre 10 de l'étage 7 de puissance, sont refroidies par l'écoulement de l'air de refroidissement ame- né par un ensemble de tubes radiaux 11 qui sont supportés par l'élément in- termédiaire 4 de connexion, ou pièce de liaison, au voisinage de son extré- mité amont 4 '. La figure I représente également le diffuseur 12, le carter 13 d'échappement des gaz et la tuyauterie 14 qui conduit aux tubes radiaux 11 l'air qui' a été aspire, sous pression, depuis un étage (intermédiaire) de compression du générateur 3 de gaz mentionné ci-dessus. La pièce cylindrique 4 de liaison est équipée ensuite d'un bobi- nage électrique 15 de chauffage, noyé sous sa surface extérieure et entouré à la partie supérieure par un manchon annulaire 16 d'isolement. Dans sa partie intérieure, la pièce cylindrique 4 de liaison com- porte, par contre, une chambre annulaire 17, ainsi qu'un ensemble d'ailettes annulaires verticales 18 qui di Yisent la chambre 17 en un certain nombre de chambres annulaires désignées respectivement par les références 171, 172 173 et 174 et qui: sont reliées en série les unes aux autres de manière à c Qnstituer un trajet héli:co Tdal La chaibre 171 la plus éloignée a l'aval est reli ée, par 1 'intermédiaire de la soupape 19 de régulation, & la tuyau- terie 14 quit transporte 1 'air de refroidissement, tandis que la chambre 174 la plus proche de l'amont communique, par un ensemble de trous 20, avec la chambre annulaire 21 dans laquelle débouchent les tubes radiaux 11, et cette chambre 174 est reliée à la tuyauterie 14 mentionnée ci-dessus, par l'inter- médi:aire de la soupape 22 de régulation. De ce fait, 1 'élément intermédiaire 4 de connexion, ou piièce de 1 I li:aison, peut jouer le rôle d'un échangeur de chaleur pour le carter 6 du s.tator; en effet, étant chauffé par le bobinage électrique 15, l'élément intermédiaire 4 de connexion, ou piece de liaison,transmettra sa chaleur par sa surface annulaire 23 de contact au carter 6 du stator qui sera donc chauffé tandis que, refroidi' par la circulation forcée de l'air de refroi- dissement s'écoulant de la chambre annulaire 171 à la chambre annulaire 21, ce même élément intermédliaire 4 de connexion évacuera la chaleur du carter 6 du stator, toujours par l'intermédiaire de la surface annulaire 23 de con- tact, refroidissant de ce fait le carter du stator. Afin d'augmenter encore cet échange de chaleur entre la pitèce 4 de liaison et le carter 6 du stator, on construit ce derni er de manière & luit donner une fai'ble masse, ce qui' permet d'obtenir une inertie thermique peu importante, tandis que la partie centrale et 1 'extrémité aval 4 " de la pièce 4 de liaison ont une structure mass:ive qui favorise la transmission de cha- leur et, enfin, on donne à la surface annulaire 23 de contact menti:onnée ci- dessus-, une très grande largeur pour faciliter l'échange de chaleur. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisa- tion qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de va- riantes et de modifications qui apparaîtront & 1 'homme de, l'art. R E Y EN D I C'A T I O N S Turbine à gaz ( 1) comprenant, entre autres, un générateur ( 3) de gaz relié à l'avant et coaxialement à l'extrémité amont ( 4 ') d'un élément intermédiaire de connexion ou pièce ( 4) de liaison dont l'extrémité aval ( 4 ") est, à son tour, à l'avant et coaxialement en contact thermique avec le carter ( 6) du stator de l'étage ( 7) de puissance, cet élément intermé- diaire supportant au voisinage de son extrémité amont un ensemble ( 11) de tubes radiaux pour conduire 1 'air utilisé au refroidissement des roues ( 9) du rotor de l'étage ( 7) de puissance, cet air étant aspiré sous pression depuis un étage de compression du générateur ( 3) de gaz, cette turbine à- gaz étant caractérisée en ce que l'élément intermédiaire de connexion ou pièce ( 4) de liaison est équipé d'un bobinage électrique ( 15) de chauffage noyé sous la surface extérieure, et d'une chambre annulaire interne ( 17) à l'intérieur de laquelle un ensemble d'ai'lettes annulaires verticales ( 18) constituent un trajet hélicotdal d'écoulement de l'air de refroidissement, cet air étant conduit de 1 'extrémité aval à l'extrémité amont de la chambre et à l'intérieur de l'ensemble de tubes radiaux ( 11). 2 Turbine à gaz sui:vant la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre annulaire interne ( 17) de l'élément intermédiaire de conne- xion, ou pièce de liaison, est alimentée également en air de refroidisse- ment depuis son extrémité amont, les deux courants respectifs d'alimenta- tion, amont et aval, étant régulés par des soupapes correspondantes ( 19, 22).