Brevet FR2525279A1 — publié le 19831021

Système de refroidissement pour turbines. La présente invention concerne un dispositif de refroidissement coulé d'une seule pièce que l'on utilise pour fournir de l'air destiné à refroidir la face d'un disque d'une turbine à gaz, de mêMe que les aubes de ce disque en utilisant une quantité minimum d'air de refroidissement. Les disques et les aubes de turbines ont été refroidis par des dispositifs tels que celui décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 768 921 aux noms de Brown et al, dispositifs dans lesquels des tubes pourvus de buses sont supportés dans la paroi de la chambre d'air de refroidissement, ces tubes étant localisés pour souffler de l'air tangentiellement contre un disque de turbine Cette structure comporte plusieurs pièces qui doivent être assemblées pour réa- liser la structure définitive De plus, l'air déchargé de chaque buse vient nécessairement heurter les tubes adjacents et il en résulte une turbulence qui exerce un effet néfaste sur la fonction de refroidissement et qui, dès lors, nécessite une plus grande quantité d'air de refroidissement Il est souhaitable que l'air de refroidissement s'écoule régulièrement des buses précitées contre le disque de turbine Il est également souhaitable que la structure de refroidisse- ment au moyen de laquelle l'air de refroidissement est acheminé aux buses précitées soit aussi simple que possible et comporte le moins possible de pièces. Une caractéristique de l'invention réside dans une structure unitaire comprenant la chambre d'air de refroidissement et les buses, cette structu- re étant conçue de telle sorte qu'elle puisse être fixée aisément en place dans la turbine. Une autre caractéristique de l'invention est une structure unitaire faisant également office d'élément structural dans le fonctionnement d'une turbine, par exemple, pour supporter un élément d'étanchéité et les aubes fixes du premier étage, tout en assurant également l'assemblage entre une partie de la chambre de combustion qui est un clément structural de la turbine et les extrémités intérieu- res des aubes fixes de celle-ci. Suivant l'invention, la structure de refroi- dissement comporte une monture au moyen de laquelle elle est supportée par la structure de la turbine, une bride annulaire assemblée aux extrémités intérieu- res des aubes fixes du premier étage de la turbine, une chambre annulaire à travers laquelle l'air de refroidissement est dirigé vers les buses qui font également partie intégrante de la structure Cette structure peut également comporter une monture pour un joint annulaire et elle est conçue de façon à pou- voir avoir accès aux boulons au moyen desquels ce joint annulaire est fixé Les buses sont définies par des ailettes courbes espacées coulées dans la structure pour diriger tangentiellement l'air de refroidissement contre le disque de la turbine en décrivant un anneau pratiquement complet pour assurer la distribution la plus efficace et la plus uniforme possible de l'air de refroidissement. Les objets, caractéristiques et avantages ci-dessus de la présente invention, ainsi que d'autres apparaîtront plus clairement à la lecture de la des- cription détaillée ci-après de certaines formes de réalisation préférées de l'invention données en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe de la structure de refroidissement et d'une partie de la structure adjacente d'une turbine à gaz, cette coupe étant prise pratiquement le long de la ligne 1-1 de la figure 2; la figure 2 est une vue en bout de la struc- ture de refroidissement, certaines parties étant élaguées; la figure 3 est une vue en coupe de la struc- ture de refroidissement prise pratiquement le long de la ligne 3-3 de la figure 1. En se référant tout d'abord à la figure 1, le disque 10 du premier étage de la turbine comporte, sur sa périphérie, une rangée d'aubes mobiles 12 aux- quelles de l'air de refroidissement est acheminé par des trous 14 pratiqués dans une bride 16 située sur le côté du disque L'air de refroidissement atteint les trous 14 à partir d'une chambre 17 qui est disposée radialement vers l'intérieur de la bride 16 et qui sera décrite ci-après de manière plus détaillée De ces trous, l'air de refroidissement s'écoule radialement vers l'extérieur et atteint les talons des aubes mobi- les par n'importe quelle structure bien connue et il s'écoule à travers des passages de refroidissement (non représentés) ménagés dans les aubes mobiles. Sur la bride 16, est boulonné un disque an- nulaire 18 comportant une série d'éléments d'étanchéité formés sur une bride conique 22 disposée sur ce disque Des boulons 24 maintiennent le disque 18 sur la bride 16 et la périphérie extérieure de ce disque 18 maintient un anneau 25 contre le disque 10 et contre les talons des aubes mobiles afin de guider l'air de refroidissement dans ces dernières, cette périphérie extérieure pouvant également servir à maintenir les aubes mobiles en place à l'intérieur du disque Cette caractéristique ne fait pas partie de la présente in- vention et ne sera pas décrite ici plus en détail. La structure de refroidissement 26 de l'in- vention est sous forme d'un anneau comportant, sur sa face extérieure d'amont, une surface de montage 28 au moyen de laquelle une bride annulaire 30 est fixée sur une partie 32 de la chambre de combustion Cette partie 32 a généralement la forme d'une structure pratiquement cylindrique et elle peut constituer la, paroi intérieure de la chambre de combustion, formant ainsi une partie structurale de la turbine à gaz. Vers l'extérieur de la surface 28, s'étend un élément de paroi ou une bride tronconique 34 dont la périphé- rie extérieure 36 est fixée, par exemple, au moyen de boulons 38, sur des pieds de montage 40 s'étendant vers l'intérieur à partir des extrémités intérieures 42 des aubes fixes d'entrée 44 de la turbine Cet élé- ment 34 définit, avec lespieds 4 O et une paroi 45 s'étendant vers l'avant à partir des extrémités 42 des aubes fixes, une chambre 48 à laquelle de l'air de refroidissement est acheminé par n'importe quel moyen (non représenté), par exemple, à partir d'un espace situé entre la paroi 32 et la structure de brûleur entourant cette dernière. Sur la surface de montage 28, est prévue une bride 46 s'étendant axialement et servant à localiser la bride 30 radialement par rapport à la structure de refroidissement De même, à cet endroit de la struc- ture de refroidissement, cette dernière se transforme en une structure à paroi double ayant une paroi d'amont et une paroi d'aval 52 qui sont espacées l'une de l'autre pour définir, entre elles, une chambre 54 s'étendant circonférentiellement Ces parois se pro- longent radialement vers l'intérieur pour définir un passage annulaire 56 allant de l'espace 54 aux buses de décharge 58 qui sont solidaires de et placées entre les parois opposées, aux extrémités intérieures de cellesci Ces parois qui s'étendent radialement dans l'espace 54, changent de direction vers leurs extré- mités intérieures si bien qu'à l'extrémité des buses de décharge, elles s'étendent pratiquement axialement pour définir une ouverture axiale 59 par laquelle est déchargé l'air de refroidissement En un point situé radialement à l'intérieur de la chambre 54, la paroi d'aval comporte un joint annulaire 60 qui y est fixé, par exemple, au moyen d'une rangée de boulons 62 Ce joint annulaire comporte, sur sa partie tronconique, une série de gradins 63 coopérant avec la série d'élé- ments d'étanchéité 20 Avec la paroi d'aval 52, le disque 18 et la paroi 34, les éléments d'étanchéité coopérants forment une chambre 64 s'étendant radiale- ment vers l'extérieur à partir de ce joint Une autre chambre 66 est formée radialement à l'intérieur des éléments d'étanchéité et les autres parois de cette chambre sont la partie intérieure de la paroi d'aval 52, ainsi qu'une bride 68 s'étendant radialement vers l'intérieur sur le disque d'étanchéité 18 vers et à proximité immédiate des extrémités de la paroi 52 - La chambre annulaire 54 comporte des cloi- sons 70 disposées axialement (figures 2 et 3) et s'étendant entre les parois d'amont et d'aval en ressortant radialement vers l'intérieur de l'élément 34 en direction d'une paroi circonférentielle 72 formant une paroi ou un anneau interrompu entre les parois d'amont et d'aval Cette paroi circonférentiel- le ou cylindrique 72 est située juste radialement à l'intérieur de la rangée de boulons 74 maintenant la structure de refroidissement contre la paroi 32. Les cloisons 70 sont disposées par paires comme re- présenté dans les figures 2 et 3 et la paroi circon- férentielle 72 est interrompue à l'endroit o sont situées ces paires de cloisons de telle sorte que l'air de refroidissement puisse pénétrer dans les ou- vertures intérieures 76 pratiquées dans l'élément 34, pour s'écouler ensuite dans le passage 77 défini entre les paires de cloisons et passer par la paroi circonférentielle 72 pour pénétrer dans le passage 78. Comme on l'a indiqué ci-dessus, et comme représenté dans les dessins annexés, la paroi circonférentielle 72 est interrompue à l'endroit de ces cloisons. Les prolongements 79 des paires de cloisons 72 divergent l'un de l'autre radialement vers l'inté- rieur de la paroi circonférentielle 72, si bien que les prolongements des cloisons opposées des paires adjacentes convergent pour définir des espaces trian- gulaires 80 radialement vers l'intérieur de la paroi circonférentielle 72 Ces prolongements opposés se rejoignent et forment une seule cloison 81 s'étendant vers l'avant et presque jusqu'aux extrémités d'aval des parois d'amont et d'aval Ces cloisons s'étendent vers et sont solidaires d'ailettes alternées de buses 58 '. Les ailettes intermédiaires 58 font uniquement office d' ailettes de déviation près de l'extrémité de décharge du passage 56 Toutefois, les cloisons 81 assurent une pression relativement constante pour l'air de refroidissement sur toute la circonférence du passage d'air de refroidissement 56. La paroi d'amont 50 comporte des ouvertures triangulaires 82 pour les chambres ou espaces 80 Les boulons 62 du joint annulaire 60 sont situés dans la paroi d'aval o ces espaces 80 sont localisés de telle sorte que les écrous 98 de ces boulons soient acces- sibles via les ouvertures triangulaires, permettant ainsi de retirer le joint annulaire 60 de son point de fixation à la structure de refroidissement La paroi d'aval 52 comporte des ouvertures 83 situées entre les paires de cloisons de façon à pouvoir accé- der aux têtes des boulons 74 et pouvoir ainsi visser la structure de refroidissement à l'élément 32. La structure de refroidissement décrite ci- dessus est une structure coulée d'une seule pièce et elle peut être réalisée par le procédé de coulée à cire perdue Il en résulte une structure d'une seule pièce de précision qui est aisément installée dans la turbine à gaz et qui fait office de support pour le joint d'étanchéité et un assemblage entre le manchon ou l'anneau d'une chambre de combustion (élément struc- tural de la turbine à gaz) et les extrémités intérieures des aubes fixes de la turbine En outre, suite à la mise en place de cette structure, il en résulte diffé- rentes chambres pour l'air de refroidissement et pour l'air d'étanchéité, tout en ménageant des passages appropriés dans cette structure pour permettre l'écou- lement désiré de l'air à travers cette partie de la turbine à gaz La structure décrite permet d'accéder aux boulons supports et d'assemblage, facilitant ainsi le montage ou le démontage de la structure de refroi- dissement respectivement dans ou hors de la turbine à gaz. Cette structure permet également d'installer des prises ou des raccords de pression en vue de dé- tecter ou de régler la pression dans les différentes chambres C'est ainsi que, si la pression régnant dans la chambre 64 est mise en question, une prise de pres- sion 84 ménagée dans la paroi d'amont 50 près des boulons 74 permet un raccordement direct à la chambre 64 du fait que les ouvertures 83 permettent, à la pres- Sion régnant dans cette'chambre 64, de pénétrer dans l'espace ménagé entre les parois d'amont et d'aval à l'endroit o sont situés les boulons 74 De plus, une prise de pression 86 permet d'accéder d'un point situé devant la paroi d'amont à la chambre 66 afin de déter- miner la pression régnant dans cette chambre ou afin d'accrottre ou de réduire cette pression en y ajoutant ou en en retirant de l'air Bien entendu, la prise de pression 86 est située en un point qui est en alignement avec les ouvertures 82 permettant d'accé- der aux espaces 79. Bien que l'invention ait été illustrée et décrite en se référant à une de ses formes de réalisa- tion préférées, l'homme de métier comprendra que dif- férentes autres modifications et omissions peuvent être envisagées tant dans la forme que dans les dé- tails sans pour autant se départir de l'esprit et du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Structure de refroidissement en vue d'acheminer de l'air de refroidissement à la chambre située sur la face d'un disque de turbine, cette struc- ture étant coulée d'une seule pièce, tandis qu'elle comprend: des parois annulaires espacées définissant une chambre d'écoulement d'air et se terminant, à une extrémité, en une buse de décharge disposée axialement et comportant des ailettes s'étendant entre les parois dont elles sont solidaires; un élément annulaire d'assemblage solidaire de et assemblant ces parois aux extrémités éloignées de la buse précitée, cet élément s'étendant à partir de ces parois et comportant un élément de montage à l'extrémité éloignée des parois; des cloisons s'étendant radialement, soli- daires de et situées entre les parois espacées en définissant des passages d'écoulement espacés circon- férentiellement pour l'air entre cet élément d'as- semblage et la buse précitée, des trous d'entrée d'air étant pratiqués dans l'élément précité; une cloison interrompue et pratiquement cylindrique solidaire de et située entre ces parois en un point espacé de cet élément d'assemblage, cette cloison cylindrique étant interrompue pour définir des ouvertures en des points situés en alignement avec les trous pratiqués dans l'élément d'assemblage pour permettre l'écoulement de l'air de ces trous vers ces ouvertures entre des cloisons sélectionnées, une de ces parois annulaires comportant des premières ouver- tures d'accès qui ne sont pas en alignement avec les trous pratiqués dans les parois d'assemblage et les ouvertures pratiquées dans la paroi cylindrique, cette paroi annulaire extérieure comportant un moyen de fi- xation permettant d'y accéder via les ouvertures pra- tiquées dans cette paroi annulaire. 2 Structure de refroidissement suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les ouvertures pratiquées dans la paroi précitée sont situées entre des cloisons autres que celles entre lesquelles est dirigé le courant d'air de refroidissement. 3 Structure de refroidissement suivant la revendication 1, caractérisée en ce que certaines cloisons adjacentes s'étendant radialement sur un côté de l'élément cylindrique convergent l'une vers l'autre et se rejoignent pour former une seule cloison s'éten- dant vers et solidaires de certaines ailettes. 4 Structure de refroidissement suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'autre paroi comporte des ouvertures d'accès pratiquement en aligne- ment radial avec les ouvertures pratiquées dans la paroi mentionnée en premier lieu, ces deuxièmes ouver- tures d'accès étant localisées sur le côté des cloi- sons cylindriques qui est opposé auxpremières ouvertu- res d'accès. Structure de refroidissement en vue d'acheminer de l'air de refroidissement à une chambre située sur la face d'un disque de turbine, cette struc- ture étant coulée d'une seule pièce, tandis qu'elle comprend: des parois annulaires espacées s'étendant dans une direction généralement radiale à partir de leurs extrémités extérieures en prenant une direction axiale à leurs extrémités intérieures, ces parois comportant, près de leurs extrémités intérieures, des ailettes solidaires formant des buses dirigeant l'air de refroidissement contre le disque précité; un élément annulaire d'assemblage solidaire des extrémités extérieures espacées des parois annu- laires et s'étendant vers l'extérieur de celles-ci% cet élément comportant une bride de fixation à son extrémité extérieure; une cloison cylindrique annulaire s'éten- dant entre les parois espacées, solidaire de et espa- cée radialement vers l'intérieur de cet élément d'assemblage; des cloisons pratiquement radiales s'éten- dant entre et solidaires des parois espacées, ainsi qu'entre cet élément d'assemblage et cette cloison cylindrique dont elles sont solidaires, cet élément d'assemblage et cette cloison cylindrique comportant des ouvertures disposées en alignement radial entre des paires choisies de cloisons radiales pour permet- tre le passage d'un courant d'air au travers et en direction des buses, des prolongements intérieurs de certaines cloisons adjacentes choisies parmi ces cloisons ra- diales et entre lesquels s'écoule l'air de refroidis- sement, ces prolongements divergeant pour venir re- joindre des cloisons adjacentes en définissant des espaces triangulaires entre eux; et une des parois annulaires espacées compor- tant des ouvertures communiquant avec les espaces. triangulaires précités, l'autre paroi comportant un moyen de montage à ces espaces triangulaires afin d'y avoir accès via les ouvertures pratiquées dans la paroi mentionnée en premier lieu. 6 Structure de refroidissement suivant la revendication 5, caractérisée en ce qu'une des parois précitées' comporte un moyen de montage localisé entre les cloisons radiales dans la zone o il n'y a aucun écoulement d'air, tandis que l'autre paroi comporte des ouvertures permettant d'accéder à ce moyen de montage.