Brevet FR2519068A1 — publié le 19830701

La présente invention concerne des éléments porteurs refroidissables utilisés dans des machines rotati- ves fonctionnant à haute température et plus spécifiquement l'invention concerne une structure pour refroidir de tels éléments porteurs Les principes de la présente invention ont une application aux aubes et ailettes de turbines. Une machine rotative brûle du carburant dans des chambres de combustion pour créer de l'énergie pour la machine sous forme de gaz chauds du milieu de travail. Les gaz chauds du milieu de travail passent dans la section de turbine de la machine Dans la section de turbine, les éléments porteurs forment des rangées stationnaires d'aubes de stator et de rangées en rotation d'ailettes de rotor. Ces éléments porteurs sont utilisés pour diriger les cou- rants de gaz et pour extraire l'énergie des gaz En consé- quence,les éléments porteurs baignent dans les gaz chauds du milieu de travail pendant le fonctionnement du moteur ce qui crée des contraintes thermiques dans ces éléments porteurs qui affectent l'intégrité de la structure et la limite d'endurance de l'élément porteur Ces contraintes thermiques ont été une source constante de soucis depuis l'avènement des machines rotatives fonctionnant à haute température telles que les moteurs à turbine à gaz, à cause de la nécessité de faire fonctionner le moteur aux hautes températures pour porter au maximum le rendement du moteur. Par exemple, les éléments porteurs dans les turbines de tels moteurs peuvent faire face à des températures dans les gaz de travail aussi élevées que 13700 C Les ailettes et aubes de ces moteurs sont typiquement refroidies pour pré- server l'intégrité de structure etla limite d'endurance de l'élément porteur en réduisant le niveau des contraintes thermiques dans l'élément porteur. Une tentative connue pour refroidir l'élément porteur est décrite dans le brevet US No 3 171 631 On fait passer l'air de refroidissement dans la cavité entre le côté aspiration et le côté pression de l'élément por- teur et on le détourne vers différents endroits dans la cavité en utilisant des socles ou aubes tournants Les socles servent également comme support pour renforcer la -2- structure de l'ailette. Avec le temps, des approches plus sophistiquées employant des passages tortueux ont été développées comme par exemple, dans la structure représentée dans le brevet US NO 3 533 712 o on décrit l'utilisation des passages en serpentins s'étendant au travers de la cavité dans l'ailette pour créer un refroidissement sur mesure pour les différentes parties de l'élément porteur La matière de l'élément porteur définissant les passages constitue le support structurel nécessaire à l'élément porteur. Des brevets plus récents tels que le brevet US No 4 073 599 décrivent l'utilisation de passages de refroidissement compliqués associés à d'autres techniques de refroidissement de l'élément porteur Par exemple, la région du bord d'attaque dans ce brevet US No 4 073599 est refroidie par impacts suivi par le déchargement de l'air de refroidissement au travers d'un passage s'éten- dant dans le sens de l'envergure dans la région du bord d'attaque de l'ailette Le courant d'air dans le passage refroidit égaement par convection la région du bord d'attaque, comme dans le cas du passage dans le brevet US No 3 171 631. Le refroidissement des éléments porteurs d'une turbine en utilisant des passages de refroidisse- Po r ment complexes et des orificesle refroidissement pelli- culaire seuls ou simultanément avec des bandes d'entrave- *ment pour favoriser le refroidissement de la région du bord d'attaque, est le sujet de nombreux brevets parmi les plus'récents,tels que les brevets US No 4 177 010, 4 180 373, 4 224 011 et 4 278 400 Les ailettes se carac- térisent par de grands passages pour l'air de refroidis- sement en relation avec l'épaisseur des parois dans la région du bord d'attaque de l'ailette. Des études aérodynamiques récentes suggèrent qu'un bord d'attaque, elliptique possède des avantages de performances pendant le fonctionnement du moteur à turbine à gaz Le bord d'attaque elliptique est utilisé simultanément avec un élément porteur qui possède une forme en section transversale plus mince (épaisseur à -3 longueur de la corde) par comparaison avec les éléments porteurs connus Malgré la minceur du profil, une épaisseur minimum des parois est requise pour créer un support structurel pour l'élément porteur et pour permettre à l'élément porteur de résister à une certaine quantité de dommages causés par des corps étrangers, statistiquement prévus Le résultat a été l'avènement d'un nouvel élément porteur comprenant un bord d'attaque elliptique pour des raison aérodynamiques et ayant des parois plus épaisses par rapport à la dimension des passages de l'air de refroidissement par comparaison avec le rapport existant entre les parois et la dimension des passages dans les éléments porteurs connus En outre, dans l'intérêt du rendement en carburant, il n'est pas souhaitable dans certains étages de la turbine d'utiliser le refroidissement superficiel pour la région du bord d'attaque de l'élément porteur. En conséquence, les scientifiques et les ingénieurs cherchent à développer des éléments porteurs refroidissables, utilisables dans des turbines fonction- nant à haute température qui utilisent efficacement l'air de refroidissement, qui refroidissent de manière adéquate la région du bord d'attaque des éléments porteurs avec des passages étroits par comparaison avec l'épaisseur des parois des éléments porteurs et qui cependant évitent le déchargement de l'air par le refroidissement pelli- culaire de la région du bord d'attaque de l'élément por- teur. Selon la présente invention, l'élément porteur refroidÈsable comprenant un passage pour le fluide de refroidissement adjacent à une paroi dans la région du bord d'attaque, comprend au moins une bande d'entra- vement s'étendant au travers du passage qui est disposée de biais par rapport au courant s'approchant et à la pari, et qui comprend un générateur de tourbillons s'étendant depuis une partie de la bande d'entravement. Un but principal de la présente invention est un élément porteur comprenant un passage de refroidisse- ment dans la région du bord d'attaque de l'élément porteur. -4- Une paroi dans la région du bord d'attaque limite le passage Une pluralité de bandes d'entravement s'étendent au travers du passage et dans la région du bord d'attaque. Les bandes d'entravement forment un certain angle par rapport à la paroi et sont disposées de biais par rapport au gaz approchant Au moins une bande d'entravement possède un générateur de tourbillons s'étendant depuis une partie ë la bande d' entravement Le générateur de tourbillons est écarté dans le sens de la corde de la paroi dans la région du bord d'attaque Dans un mode de réalisation, les bandes d'entravement s'étendent depuis le côté pression vers le côté aspiration au travers de la région du bord d'attaque de la partie aérodynamique. Dans un mode de réalisation, une seconde bande d'entra- vement a un générateur de tourbillons La hauteur combinée de la seconde bande d'entravement et du générateur de tourbillons est supérieure à la hauteur combinée de la première bande d'entravement et du générateur de tourbillons. Un avantage principal de la présente invention est la durée de vie de l'élément porteur résultant de l'épaisseur de la paroi dans la région du bord d'attaque qui protège l'élément porteur contre les dégâts causés par les corps d'étrangers et du refroidissement des parois épaissies qui empêch Mdes contraintes thermiques inaccep- tables dans les parois Un autre avantage est l'augmenta- tion du rendement de la machine rotative qui résulte de la canalisation d'une partie du courant de refroidissement et la création d'une turbulence dans le courant de refroidissement pour augmenter le rendement du refroidis- sement de ce courant. D'autres caractéristiques et avantages seront évidents à la lecture de la description et des revendications lues à la lumière des dessins suivants qui illustrent un mode de réalisation de l'invention La figure 1 est une vue d'une pale de rotor partiellement en coupe et partiellement éclatée pour montrer le côté paroliaspiration de l'ailette du rotor; la figure 2 est une vue en coupe prise le -5- long des lignes 2-2 de la figure l;et la figure 3 est une vue partielle en per- spective, partiellement en coupe et partiellement éclatée, de la région du bord d'attaque représentée dans la figure 2 pour montrer schématiquement une partie du courant dans la région du bord d'attaque de l'ailette du rotor. La figure 1 montre une ailette 10 de rotor pour une machine rotative L'ailette de rotor a une section d'emplanture 12, une section de plateforme 14 et une section aérodynamique 16 La section d'em- planture est adaptée pour s'engager dans le rotor de la machine rotative La section de plate-forme est adap- tée pour former une partie d'une paroi interne du passage des gaz du milieu de travail dans une machine rotative La section aérodynamique est adaptée pour s'étendre vers l'extérieur au travers du passage des gaz du milieu de travail et comprend un profil d'ex- trémité 18 à son extrémité la plus externe L'ailette de rotor comporte des directions de référence telles que la directiondel'envergure S et la direction de la corde C. La section d'emplanture 12 comprend une paroi d'emplanture 20 s'étendant dans le sens de la corde Un premier conduit 22 est en communication au travers de la paroi d'emplanture avec une source d'air de refroidissement tel Le qu'un compresseur (non représenté) Un second conduit 24 s'étend au travers de la paroi de l'emplanture Une plaque 25 s'étend en travers du second conduit et bloque la communication avec une source d'air de refroidissement (non représentée) Selon un autre mode de réalisation le second conduit est en communication avec la source d'air de refroidissement. La section aérodynamique 16 comprend un bord d'attaque 26 et un bord de fuite 28 Une paroi latérale 30 d'aspiration et une paroi latérale 32 de pression (partiellement éclatée dans la figure 1 pour la clarté du dessin et représentée dans la figure 2) -6- sont reliées au bord d'attaque et au bord de fuite. La paroi de pression est écartée de la paroi d'aspiration pour former une cavité 34 entr'elles Une paroi 36 de profil d'extrémité et la paroi 20 limite la cavité dans la direction de l'envergure Une première chicane 38 s'étend dans la direction de l'envergure depuis la paroi du profil d'extrémité pour diviser la cavité en une partie arrière 40 et une partie avant 42 La première chicane est écartée de la paroi de l'emplanture en laissant un premier virage 44 entr'eux qui met la partie arrière de l'ailette de rotor en communication avec la partie frontale et avec le second conduit 24 s'étendant au travers de la section d'emplanture de l'ailette La partie arrière de l'ailette comprend une région de bord de fuite 46 La région de bord de fuite est en communica- tion avec le passage du gaz du milieu de travail par l'intermédiaire d'une pluralité de socles 48 écartés l'un de l'autre Chaque socle s'étend entre la paroi d'aspiration et la paroi de pression pour bloquer locale- ment le courant, et, avec la première chicane, définis- sent un passage 50 s'étendant dans la direction de l'en- vergure pour l'air de refroidissement Une pluralité de bandes 52 d'entravement sont perpendiculaires au courant et interfèrent avec la formation d'une couche limite laminaire en créant un courant turbulent dans la couche limite lorsque le courant passe par-dessus les bandes d'entravement. Une seconde chicane 53 s'étend dans la direc- tion de l'envergure depuis la paroi d'emplanture 20 pour diviser la partie frontale 42 de l'ailette en un premier passage 54 et un second passage 56 Le premier passage est adjacent à une troisième paroi 58 dans la région du bord d'attaque de l'ailette Le premier passage a une extrémité 60 en amont en communication avec le premier conduit 22 et une extrémité 62 en aval en commu- nication par un virage 64 avec le second passage. Une pluralité de premières bandes 66 d'en- travement s'étend depuis la paroi latérale 30 d'aspira- tion le long de la troisième paroi dans la région du 7- bord d'attaque vers la paroi de pression 32 Ces bandes d' entravement ont une hauteur constante h Les bandes d'entravement sont disposées de biais par rapport au courant et forment un angle aigu avec la troisième paroi Une pluralité de secondes bandes 68 d'entravement est disposée de biais par rapport au courant et forme un angle aigu d'environ 300 avec la troisième paroi Il est admis que des angles aigus se situant dans un intervalle entre 250 et 500 s'avéreront satisfaisants pour orienter les bandes d'entravement, un intervalle de 300 à 45 C étant admis comme étant 'l'intervalle le plus satisfaisant. Chacune de la pluralité de seconde bandes d'entravement a une extrémité qui est courbée vers le courant qui s'approche. La figure 2 est une vue en coupe d'une partie d'une ailette de rotor représentée dans la figure 1, prise le long de la ligne 2-2 de la figure 1 La bande d'entravement 66 a une hauteur h et s'étend le long de la paroi d'aspiration 30, le long de la paroi de pression 32 et le long de la troisième paroi 58 dans la région 26 du bord d'attaque Un générateur de tourbillons 70 a fait partie intégrante avec la première bande d'entravement 68 a Le générateur de tourbillons augmente la hauteur de la bande d'entravement La hauteur combinée de la bande d'entravement 68 a et du générateur de tourbillons 70 a est une hauteur ha qui est supérieure à la hauteur h La bande d'entravement 68 b comprend un générateur de tourbillons b faisant intégralement partie de la seconde bande d'entravement et augmente la hauteur de la bande d'en- travement jusqu'à une hauteur hb qui est supérieure à la hauteur ha Chacun des générateurs de tourbillons 70 a, b s'écarte dans le sens de la corde de la troisième paroi 58 dans la région du bord d'attaque Le générateur de tourbillons 70 b a une longueur dans le sens de la corde qui est supérieure à la longueur dans le sens de la corde du générateur destourbillons 70 a En augmentant la hauteur et la longueur du générateur de tourbillons, on augmente la capacité du générateur de tourbillons d'enlever la chaleur En conséquence, les générateurs de -8- tourbillons plus longs et plus élevés sont utilisés dans les régions de l'élément porteur qui subissent le flux de chaleur le plus grand. Pendant le fonctionnement de la machine rotative, les gaz du milieu de travail passent par-dessus l'extérieur de l'élément porteur De l'énergie sous forme de chaleur est transférée depuis le gaz chaud du milieu de travail dans la région 26 du bord d'attaque, la paroi latérale 30 d'aspiration et la paroi latérale 32 de pression L'air de refroidissement provenant du conduit 22 passe le long de la région du bord d'attaque via le passa- ge 54 vers le virage 64 Lorsque le courant quitte le pre- mier passage et se déplace au travers des aubes tournantes, le passage vers des parties de l'élément porteur est par- tiellement obstrué par les aubes tournantes Du fait de la minceur de la région du profil d'extrémité, l'obstruction du courant n'est pas accompagnée de pénalités sévères de contraintes thermiques ainsi que ce serait le cas avec le blocage d'un tel courant dans la région à mienvergure de l'élément porteur de l'ailette L'air de refroidissement. passe le virage et s'écoule via le second passage 56 au travers du premier virage 44 vers le passage 50 dans la partie de fuite de l'ailette Le courant est déchargé au travers des espaces entre les socles 48 dans la région du bord de fuite. La figure 3 représente schématiquement l'interaction entre deux courants Sl et 52 de l'air de refroidissement lorsque l'air de refroidissement passe au travers du passage 54 et par-dessus la bande d'entrave- ment 68 b du générateur de tourbillons 7 Ob dans la région à mi-hauteur de l'envergure de la pale Les courants 51 et 52 sont adjacents à la surface d'aspiration de l'élément porteur et leur mouvement n'est pas bloqué le longdu passage Lorsque le courant Sl passe par- dessus la bande d'entravement 68 b une petite partie du courant est déviée vers la région du bord d'attaque comme il est montré par la ligne S'l En outre de petits tourbillons sont créés dans le côté en amont de la bande d'entravement lorsque le courant 51 passe par-dessus la 251-9068 _ 9- bande d'entravement Les tourbillons se déplacent avec une composante de vitesse s'étendant dans la direction de la corde du fait de l'orientation angulaire des bandes d' entravement par rapport au courant et à la paroi 58. La composante de vitesse dans le sens de la corde a pour effet que de petits tourbillons se déplacent vers et dans la région du bord d'attaque comme il est montré par les tourbillons V'l Ces tourbillons provoquent une turbulen- ce dans la couche limite adjacente à la surface d'aspira- tion de l'élément porteur. Le courant 52 est également adjacent à la surface d'aspiration de l'élément porteur Lorsque le courant 52 passe par-dessus le générateur de tourbillons une plus grande partie du courant le long du courant est déviée vers la région du bord d'attaque, comme il est montré par la ligne S'2 En outre, lorsque le courant 52 passe par-dessus le générateur de tourbillons, des tourbillons d'une dimension plus grande que les petits tourbillons formés par la bande d'entravement sont formés sur le côté en amont du générateur de tourbillons Du fait de laposittn angulaire du générateur de tourbillons, ces grands tourbillons se déplacent avec une composante de vitesse s'étendant dans la direction de la corde et dans la direction de l'envergure La composante de vitesse dans la direction de la corde a pour effet que de grands tourbillons se déplacent dans la région du bord d'attaque et le long de la région du bord d'attaque en frottant la surface 72 de la paroi 58 dans la région du bord d'atta- que de l'élément porteur Les grands tourbillons forcent l'air plus froid de la partie principale du courant vers la couche limite dans la région du bord d'attaque Donc l'action des petits tourbillons est grandement intensifiée par l'action des grands tourbillons qui sont de durée plus longue que les petits tourbillons et qui interréagissent avec les petites tourbillons, refroidissant l'air dans la couche limite, augmentant les vitesses de la turbulence dans la couche limite, et augmentant le transfert de chaleur entre les parois de l'élément porteur et l'air de refroidissement dans la région du bord d'attaque. - Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. 11 - Revendications: 1 Elément porteur refroidissable adapté pour être utilisé dans une machine rotative du type comprenant un passage pour l'air de refroidissement et une paroi dans la région du bord d'attaque limitant le passage pour l'air de refroidissement caractérisé en ce qu'il comprend au moins une bande d'entravement 68 a qui s'étend au travers du passage 54 et depuis la paroi 58 dans la région du bord d'attaque, laquelle bande d'entra- vement est disposée de biais par rapport au courant et forme un angle aigu par rapport à la paroi 58, la bande d'entravement 68 a comprenant un générateur 70 a de tourbillons faisant partie intégrante avec cette bande d'entravement ce qui augmente la hauteur de la bande d'en- travement 68 a lequel générateur de tourbillon est écarté dans le sens de la corde,de la paroi 58 dans la région du bord d'attaque. 2 Elément porteur refroidissable selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que la première bande d'en- travement 68 a et le générateur 70 a de tourbillons a une hauteur ha et en ce que l'élément porteur, en outre, comprend une seconde bande d'entravement 68 b qui s'étend au travers du passage et depuis la paroi 58 dans la région du bord d'attaque, o cette seconde bande d'entra- vement 68 b est disposée de biais vers le courant et forme un angle aig U par rapport à la paroi 58, cette seconde bande d'entravement comprenant un générateur de tourbil Lons b faisant partie intégrante avec la bande d'entravement ce qui augmente la hauteur de la bande d'entravement et ce générateur de tourbillons s'écarte dans le sens de la corde, de la paroi 58 dans la région du bord d'attaque, o la hauteur de cette seconde bande d'entravement 68 b et du générateur de tourbillons 70 b et hb est supérieure à la hauteur de la première bande d'entravement 60 a et du générateur de tourbillons ha (hb >ha) 3 Elément porteur refroidissable selon la revendication 2, caractérisé en ce que la hauteur de la bande d'entravement 68 a est h et la hauteur ha de la première bande d'entravement 68 a et du générateur de 12 - turbulence 70 a est supérieure ou égale au double de la hauteur de la bande d'entravement (ha ?_ 2 h). 4 Elément porteur refroidissable selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le générateur de tourbillons 70 a de la première bande d'entravement 68 a a une première longueur dans le sens de la corde et le générateur de tourbillon 70 a de la seconde bande d'entravement 68 b a une seconde lon- gueur dans le sens de la corde qui est supérieure à la première longueur dans le sens de la corde. Elément porteur refroidissable selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'une de ces bandes d'entravement et générateur de tour- billons faisant partie intégrante avec elle a une extré- mité qui est courbée vers le courant. 6 Elément porteur refroidissable selon la re- vendication 1 caractérisé en ce que l'angle aigu entre la bande d'entravement et la paroi dans la région du bord d'attaque est de 300. 7 L'élément porteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'angle aigu entre la bande d'en- travement et la paroi dans la région du bord d'attaque se situe dans un intervalle entre 25 et 50 . 8 Elément porteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une de ces bandes d'entravement 68 b s'étend depuis la paroi latérale 30 d'aspiration et la paroi latérale 32 de pression du passage et en ce que ce générateur de tourbillons s'étend depuis la partie de la bande d'entravement sur la paroi d'aspiration du passage.