Brevet FR2526083A1 — publié le 19831104

L'invention concerne un moyen pour envoyer de l'air de refroidissement sur les parties critiques des sections chaudes des aubes de turbine dans les moteurs à turbine à gaz. Au cours du développement des moteurs à turbine à gaz, on a fourni des efforts immenses pour augmenter les températures de fonctionnement internes de des moteurs de manière à en améliorer le rendement thermodynamique Comme on a accru les températures internes de turbine dans ce but, il est devenu nécessaire de fournir de l'air de refroidissement aux parties chaudes des aubes mobiles et fixes de turbine de manière à limiter les températures de ces composants à des niveaux qui puissent être supportés par les matériaux de ces aubes L'air utilisé pour ce refroidissement est le plus souvent comprimé à des pres- sions égales ou supérieures aux pressions des gaz à l'inté- rieur de la turbine Parce que cet air de refroidissement a subi un travail nécessaire pour le comprimer, on doit l'utiliser aussi efficacement que possible pour limiter la puissance requise par le compresseur du moteur pour le comprimer Pour limiter la quantité d'air de refroidisse- ment utilisée, on emploie des passages et des trajets d'écoulement d'air en dédale qui ont pour but d'utiliser l'air de refroidissement de manière très efficace. Dans les moteurs à écoulement d'air de taille réduite, les configurations de refroidissement d'aubes sont généralement limitées à des conceptions relativement simples à cause des petites dimensions et des limitations des techniques de fabrication courantes Ceci a pour consé- quence qu'on ne peut utiliser une petite aube classique de turbine de moteur à turbine à gaz avec les configurations très complexes de passage d'air de refroidissement interne uti- lisées classiquement aujourd'hui dans les gros moteurs à turbine à gaz. Un problème particulier des petits moteurs est qu'il est extrêmement difficile de refroidir efficacement les bouts d'aubes de turbine L'air de refroidissement utilisé pour refroidir intérieurement les bouts d'aube de turbine a augmenté sa température par captage thermique dans la partie inférieure de l'aube, ce qui le rend moins efficace pour le refroidissement Dans les parties en aval des bouts d'aubes de turbine un peu d'air de refroidisse- ment a fui par les trous de refroidissement du bord de fuite avant d'atteindre la région du bout de l'aube, réduisant ainsi la vitesse de l'air de refroidissement et, par conséquent, son efficacité Ajoutant à ces difficultés de refroidissement des petites aubes de turbine, le bord de fuite aval dans la région du bout d'aube est le plus souvent très mince pour des raisons de performances aêro- dynamiques, ce qui limite la possibilité de diriger de l'air de refroidissement dans cette région. Du fait de ces limitations propres aux petits moteurs les conceptions des cycles de températures sont réduites et de ce fait les performances du moteur sont limitées En outre, les bouts d'aube de turbine devien- nent souvent des composants posant un problème de limita- tion de durée de vie du moteur Lorsque les bouts d'aube se détériorent, par l'oxydation et la corrosion accumulées pendant le fonctionnement du moteur, les performances de ce dernier chutent en dessous des niveaux minimun accepta- bles On doit alors enlever le moteur de l'appareil et remettre à neuf la turbine L'entretien et la révision générale de la turbine pour rectifier les bouts d'aube abîmés,à la fois,sont coûteux et prennent du temps. La présente invention a pour but de: réaliser un moyen pour refroidir les bouts d'aubes de turbine des sections de turbine des moteurs à turbine à gaz par un système qui peut être utilisé dans les configurations de moteurs relativement petites; réaliser une source d'air de refroidissement que l'on peut envoyer plus particulièrement sur les bouts d'aube de turbine dans une turbine d'un petit moteur à turbine à gaz; réaliser un film d'air de refroidissement le long d'une paroi la plus radialement extérieure d'une turbine d'un petit moteur à turbine à gaz dans le but de refroidir les bouts d'aube de turbine avec une quantité limitée d'air de refroidissement. Brièvement, selon une réalisation de la présente invention, on a réalisé un moyen pour introduire l'air de refroidissement dans une section de turbine d'un moteur à turbine à gaz dans la région des bouts d'aubes de turbine. On utilise comme source d'air de refroidissement l'air de refoulement du compresseur qui a contourné la chambre de combustion On introduit cet air de refoulement du compres- seur dans une section arrière de la chambre de combustion par des trous d'entrée juste en amont de la turbine On introduit l'air seulement le long d'une section radiale- ment extérieure de la chambre de combustion L'air de refroidissement s'écoule d'abord dans des régions annulai- res à l'intérieur de la chambre de combustion qui sont protégées des gaz de combustion chauds A partir de ces régions annulaires, l'air s'écoule en aval dans la chambre de combustion et forme un film épais qui recouvre la paroi de la chambre Parce qu'on introduit l'air dans la section aval de la chambre de combustion, il n'y a pas de combus- tion de ce dernier et il entre dans la turbine pratiquement à la môme température que l'air de refroidissement entrant dans la chambre de combustion Cette température est bien inférieure à celle des gaz chauds qui viennent juste de subir une combustion Ce film épais d'air de refroidisse- ment, à basse température s'écoule dans la turbine le long d'une paroi radialement extérieure du trajet d'écoulement de la turbine Le film d'air de refroidissement fournit un écoulement de gaz relativement plus froid le long des bouts tournant dans la section de turbine Ce sont seulement les bouts d'aubes mobiles de turbine qui sont ainsi refroidis et cela limite la quantité d'air de refroidissement utilisée. La description qui va suivre se réfère aux figu- res annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en coupe schématique de la partie centrale d'un moteur à turbine à gaz; figure 2, une vue en coupe schématique de la chambre de combustion et de la turbine haute pression d'un moteur à turbine à gaz comportant la présente invention; figure 3, une vue en coupe d'une partie aval d'une paroi de la chambre de combustion comportant une réalisation d'une partie de la présente invention; figure 4, une représentation graphique des résultats d'essai des températures d'aubes de turbine. En liaison maintenant avec la figure 1, on a représenté la partie centrale d'un moteur à turbine à gaz-10 classique qui comprend les éléments principaux du moteur tournant autour d'un axe central 12 du moteur Ces éléments comportent, reliés en série suivant l'écoulement, un compresseur 14, une chambre de combustion 16, une tur- bine haute pression 18 et une turbine basse pression 20. En fonctionnement normal, on envoie l'air d'admission dans le compresseur 14 pour y être comprimé,ensuite l'air est refoulé dans un diffuseur 22 Une grande partie de cet air de refoulement du compresseur passe ensuite dans la cham- bre de combustion 16 o il est mélangé avec du combustible et vaporisé pour former les gaz de combustion à pression et température élevées qui s'écoulent en aval dans la tur- bine haute pression 18 Les gaz à pression élevée font tourner les aubes mobiles 24 dans la turbine haute pression 18 à vitesse élevée créant ainsi de l'énergie mécanique. Ces gaz à pression et température élevées continuent de s'écouler en aval dans la turbine basse pression 20 o ils font tourner les aubes mobiles de la turbine basse pression 20 créant ainsi une énergie mécanique supplémentaire A partir de la turbine basse pression 20, les gaz sont refoulés en aval de manière à sortir du moteur 10. On envoie une partie de l'air refoulé du compres- seur 14 qui passe dans le diffuseur 22 pour refroidir de nombreuses parties chaudes du moteur 10 Un peu de cet air utilisé pour le refroidissement s'écoule vers la région de la chambre de combustion 16 et entoure les parois de cette dernière Dans certains moteurs on a muni les parois de la chambre de combustion de petits trous de refroidissement de sorte que l'air de refroidissement peut entrer dans la chambre de combustion pour en refroidir les-surfaces internes On envoie intérieurement d'autres parties de l'air de refroidissement vers les parties chaudes à l'inté- rieur de la turbine haute pression 18 Une partie de l'air utilisé pour refroidir la turbine haute pression est envoyée à l'intérieur d'un distributeur 28 de turbine haute pression de manière à réaliser un refroidissement interne par diffusion et impact On envoie une autre par- tie de l'air de refoulement du compresseur le long d'au- tres trajets pour refroidir les parties internes des aubes 24 de la turbine haute pression 18 Ces trajets de refroidissement sont généralement représentés par les flèches noires de la figure 1. Il est bien connu de la technique que, pendant les conditions de fonctionnement à température et pres- sion élevée, on a besoin d'une quantité importante d'air de refroidissement pour tous ces processus de refroidis- sement A cause des limitations en taille et des proces- sus de fabrication, il est particulièrement difficile de refroidir les bouts 30 des aubes de turbine 24 Ces bouts sont généralement très minces pour des raisons de perfor- mance aérodynamique et ceci limite la possibilité de diriger de manière efficace de l'air de refroidissement dans ces bouts De plus, ces bouts se détériorent par oxydation et corrosion, créant des problèmes importants au niveau des performances du moteur. Une solution de l'art antérieur au problème de refroidissement des bouts d'aube de turbine consistait à diriger une petite partie de l'air de refroidissement provenant du refoulement du compresseur dans la turbine haute pression 18 dans une entrée 32 située juste en aval du distributeur de turbine 28 L'air de refroidissement dirigé de cette manière contournait la chambre de combus- tion et s'écoulait dans la turbine haute pression 18 juste en amont des aubes de turbine 24 Les études ont montré que cette proposition réduit les températures des bouts d'aube de turbine, mais que cette approche a aussi un impact négatif sur les performances du moteur, à la fois en terme de poussée et en terme de consommation de combus- tible On obtient cet effet nuisible sur les performances du moteur parce que l'air de refroidissement pénètre dans le flux de gaz qui s'écoule derrière le distributeur de premier étage 28 de la turbine et par conséquent rentre dans le cycle thermodynamique du moteur Il en résulte qu'on diminue la quantité d'air brlée par rapport à ce que permet le niveau de température d'entrée et les perfor- mances du moteur diminuent. En liaison avec la figure 2, on a représenté une partie d'un moteur à turbine à gaz 11 qui est dans l'ensem- ble semblable à la partie de moteur représentée figure 1 mais qui, cette fois, incorpore une réalisation de la pré- sente invention Ainsi que déjà expliqué pour le moteur de la figure 1, une partie de l'air de refoulement du compres- seur ne pénètre pas dans la chambre de combustion 16, mais s'écoule en aval autour de cette dernière comme indiqué par les flèches noires de la figure 2 Cet air de refroidisse- ment ne subit pas les processus de mélange et de combustion ayant lieu pendant le fonctionnement du moteur à l'inté- rieur de la chambre de combustion 16 Parce que cet air ne subit pas de combustion, il demeure relativement froid et sert de source d'air de refroidissement haute pression que l'on peut utiliser dans la turbine haute pression du moteur. On ne doit utiliser dans la turbine haute pression que de l'air de refroidissement à pression élevée parce que les gaz internes s'écoulant dans la zone de la turbine haute pression, ainsi que le nom le suggère, sont à pression très élevée L'air de refroidissement introduit dans la tur- bine haute pression doit être à une pression encore plus élevée que celle des gaz s'écoulant dans la turbine de sorte qu'il puisse grâce à sa pression propre s'écouler dans les aubes mobiles et fixes de turbine et à partir de là dans le trajet d'écoulement des gaz de combustion de la turbine Si on utilisait pour refroidir cette zone de l'air de refroidissement à pression plus faible que celle des gaz de combustion s'écoulant dans la turbine, les forces de pression ne permettraient pas à l'air de refroidissement de s'écouler à partir des régions internes des aubes mobi- les et fixes de turbine dans le trajet d'écoulement des gaz de combustion. Si l'on admet que cet air de refoulement du com- presseur est la meilleure source disponible d'air de refroidissement que l'on puisse utiliser pour refroidir les aubes de-turbine, le problème n'est plus qu'une ques- tion d'utiliser le mieux possible cet air pour refroidir les aubes de turbine et les bouts d'aubes Il est extrême- ment important de maintenir le volume d'air de refroidisse- ment aussi faible que possible parce que l'air subit un travail important dans le compresseur pour être comprimé et qu'il est souhaitable de minimiser la quantité d'air utilisée de manière à augmenter le rendement du moteur. Il est aussi souhaitable d'introduire cet air fortement comprimé en un endroit qui permette à l'air fortement comprimé d'être détendu et envoyé aux aubes de turbine de telle manière que l'air de refroidissement ne refroidira pas seulement les bouts d'aube de turbine mais aussi aug- mentera les forces effectives des gaz qui font tourner les aubes de turbine 24, augmentant ainsi l'énergie totale produite par le moteur 10. Si on introduit l'air de refroidissement par une entrée située immédiatement en aval du distributeur de turbine 28, l'air tendra à refroidir les bouts d'aube 30. Cependant, parce que cet air n'aura pas été détendu et distribué par le distributeur de turbine 28 il ne pourra fournir des forces appropriées pour faire tourner les aubes de turbine 24. La présente invention comporte un moyen pour introduire l'air de refroidissement en avant ou en amont du distributeur du premier étage de turbine 28 de sorte qu'il n'en résulte aucun désavantage pour les performan- ces du moteur On a représenté une réalisation de ce moyen figure 2, et, à une plus grande échelle, une partie de l'invention figure 3 En se référant tout d'abord à la figure 2, on envoie une partie de l'air de refoulement du compresseur qui s'écoule à l'extérieur de la chambre de combustion 16 dans des trous d'entrée d'air 36 de chambre de combustion situés juste en amont du distributeur de turbine 28 On introduit l'air juste en amont du distribu- teur de turbine 28 en partie pour empêcher l'air de subir le processus normal de combustion à l'intérieur de la cham- bre de combustion 16, et aussi pour diminuer l'échauffement de l'air de refroidissement par exposition prolongée aux gaz de combustion chauds Si cet air de refroidissement devait subir une combustion, sa température augmenterait de manière spectaculaire et il serait relativement impropre au refroidissement des bouts d'aube de turbine 30. En liaison maintenant avec la figure 3, on a représenté de manière détaillée les trous d'entrée d'air 36 par lesquels on envoie l'air de refroidissement dans une partie aval de la chambre de combustion 16 On a représenté figure 3, une partie de la paroi radialement extérieure 38 de la chambre de combustion 16 Cette partie de la paroi 38 de la chambre de combustion est située juste en amont du distributeur de turbine 28 (non repré- senté) Dans la vue en coupe de la figure 3, on peut voir trois trous d'entrée d'air 36 ainsi que leurs configura- tions respectives Il faut tout d'abord remarquer que la partie aval de la paroi 38 de la chambre de combustion est en fait à double paroi Une paroi extérieure 40 est reliée au distributeur de turbine de manière classique comme le veut la pratique courante dans beaucoup de moteurs à tur- bine à gaz On réalise une paroi intérieure 42 de chambre de combustion et on la protège des gaz de combustion chauds à son extrémité amont par une lèvre 44 A son extrémité aval la paroi extérieure 42 s'étend presque jusqu'à l'en- trée du distributeur de turbine On envoie l'air de refroi- dissement provenant du refoulement du compresseur dans les régions annulaires 46 qui sont ouvertes vers l'aval et sont dans l'ensemble protégées de la combustion qui a lieu à l'intérieur de la chambre de combustion 16 Parce que l'air de refroidissement est envoyé dans ces régions annulaires protégées 46, il ne subit pas de combustion et il pénètre dans le distributeur de turbine pratiquement à la tempéra- ture de refoulement du compresseur, formant ainsi un film épais, à basse température le long d'une paroi radialement extérieure du trajet d'écoulement de la turbine. Comme noté précédemment, trois trous d'entrée d'air 36 sont visibles figure 3 Chacun des trous 36, comme indiqué, représente un trou d'une rangée de trous qui s'étend autour de la circonférence totale de la paroi radia- lement extérieure 38 de la chambre de combustion 16 Le nombre total de trous d'entrée d'air 36 peut varier large- ment, de même que leur configuration générale. On réalise une rangée de trous d'entrée d'air amont 48 pour envoyer l'air de refroidissement dans la région annulaire entre la lèvre 44 et la paroi intérieure 42 On réalise une rangée de trous d'entrée d'air intermé- diaires 50 pour diriger de l'air de refroidissement supplé- mentaire dans la région annulaire entre la paroi intérieure 42 et la paroi extérieure 40 Finalement, on réalise une rangée de trous d'entrée d'air aval 52 pour envoyer de l'air de refroidissement supplémentaire dans la région annulaire entre la paroi intérieure 42 et la paroi exté- rieure 40 L'homme de l'art peut se rendre compte aisément que l'on peut faire varier la taille de ces trous d'entrée d'air 36 pour introduire des quantités variables d'air de refroidissement Pour servir de point de repère, dans une réalisation de la présente invention, on a fait varier le diamètre de ces trous de 0,066 cm à 0,089 cm Ces dimensions, cependant, ne sont que des indications et l'on peut utiliser des diamètres de trous plus petits ou plus grands sans sor- tir du cadre de l'invention De plus, des configurations de trou d'entrée d'air variant largement seraient aussi dans le cadre de l'invention. En se référant à nouveau à la figure 2, on a repré- senté des petites flèches noires pénétrant dans la chambre de combustion 16 en provenance des régions annulaires 46 à l'intérieur de la chambre de combustion 16 et s'écoulant vers l'aval le long de la paroi radialement extérieure 34 de la turbine, au-delà du distributeur de turbine 28 vers la région des bouts d'aubes de turbine 30 Cet air tend à s'écouler sous forme d'un film à basse température de manière idéale pour refroidir les bouts d'aube de turbine sans utiliser des quantités excessives d'air de refoule- ment du compresseur atteignant ainsi le but de la présente invention. En liaison avec la figure 4 o figure une compa- raison de résultats d'essais, on a représenté graphiquement les températures d'aubes de turbine dans un moteur à tur- bine à gaz classique et dans un deuxième moteur à turbine à gaz incorporant la présente invention L'axe des X (horizontal) est gradué en degrés centigrades L'axe des Y (vertical) est une représentation sans dimension de la hauteur d'une aube de turbine, commençant au pied de l'aube de turbine et se terminant au bout de l'aube de turbine. Les courbes désignées par la référence 54 sur le graphique représentent des températures d'aube de turbine dans deux moteurs à turbine à gaz classiques, ayant dans l'ensemble une configuration semblable à celle représentée figure 2 mais ne comportant pas la présente invention La courbe désignée par la référence 56 représente la température d'une aube de turbine, à nouveau dans un moteur ayant dans l'ensemble la même configuration que le moteur de la figure 2, mais comportant cette fois la présente invention On peut se rendre compte aisément que les températures d'extrémité de turbine ont diminué de manière significative dans le cas du moteur comportant la présente invention A cause de cette réduction de température en bout de turbine la présente invention a été désignée généralement sous le nom de moteur à bouts d'aube refroidis Il est important de noter que cette réduction des températures d'extrémité de turbine est atteinte en général sans utiliser des quantités exces- sives d'air de refoulement du compresseur et de manière à diriger l'effet de refroidissement sur les bouts d'aube de turbine Il est souhaitable d'obtenir cet effet de refroi- dissement d'extrémité de manière localisée comme repré- senté graphiquement figure 4. REVENDICATIONS 1 Moteur à turbine à gaz ( 10) comprenant un compresseur ( 14), une chambre de combustion ( 16), une turbine ( 18) avec un distributeur de turbine ( 28) et des aubes de turbine ( 24), reliés en série dans le trajet d'écoulement et placés radialement autour d'un axe cen- tral ( 12) du moteur ( 10), un moyen pour refroidir les bouts d'aube de turbine ( 30), caractérisé en ce qu'il com- porte un moyen pour envoyer de l'air de refroidissement à pression élevée provenant du compresseur ( 14) dans une paroi ( 38) aval, radialement extérieure de la chambre de combustion ( 16) de manière à créer un film d'air de refroidissement qui s'étend en aval le long d'une paroi radialement extérieure ( 34) de la turbine pour refroidir les bouts d'aube de turbine ( 30). 2 Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen comporte une série de trous d'entrée d'air ( 36) dans une paroi radialement extérieure ( 38) de la chambre de combustion ( 16) situés juste en amont du distributeur de turbine ( 28). 3 Moteur à turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que les trous d'entrée d'air ( 36) envoient l'air de refroidissement dans des régions annu- laires ( 46) à l'intérieur de la chambre de combustion ( 16) pour empêcher ainsi la combustion de l'air de refroi- dissement dans la chambre de combustion ( 16). 4 Moteur à turbine à gaz selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'air de refroidissement est envoyé dans certains des trous d'entrée d'air ( 36) dans une région annulaire ( 46) formée entre une lèvre ( 44) et une paroi intérieure ( 42) de la chambre de combustion ( 16), et en plus dans d'autres trous d'entrée d'air ( 36) dans une autre région annulaire ( 46) formée entre la paroi inté- rieure ( 42) et une paroi extérieure ( 40) de la chambre de combustion. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'air de refroidissement qui est envoyé dans la région annulaire ( 46) formée entre la lèvre ( 44) et la paroi intérieure ( 42) est envoyé par une rangée amont de trous d'entrée d'air ( 48) s'étendant circulairement autour de la chambre de combustion ( 16) et que l'air de refroidis- sement qui est envoyé dans la région annulaire formée entre la paroi intérieure ( 42) et la paroi extérieure ( 40) est envoyé par une rangée intermédiaire de trous d'entrée d'air ( 50) s'étendant circulairement autour de la chambre de combustion ( 16) et, en outre, par une rangée aval de trous d'entrée d'air ( 52) s'étendant circulairement autour de la chambre de combustion ( 16). 6 Moteur à turbine à gaz comprenant un compres- seur ( 14), une chambre de combustion ( 16), une turbine ( 18) ayant un distributeur de turbine ( 28) et des aubes de tur- bine ( 24), reliés en série dans le trajet d'écoulement et placés radialement autour d'un axe central ( 12) du moteur ( 12), un moyen pour fournir un film d'air de refroidisse- ment le long d'une paroi radialement extérieure ( 34) de la turbine pour refroidir les bouts d'aubes de turbine ( 30), caractérisé en ce que le moyen comprend: une rangée amont de trous d'entrée d'air ( 48) s'étendant circulairement autour d'une paroi radialement extérieure ( 38) de la chambre de combustion ( 16) par laquelle l'air de refoulement du compresseur ( 14) est envoyé dans une région annulaire ( 46) entre une lèvre ( 44) et une paroi intérieure de la chambre de combustion ( 16); une rangée intermédiaire de trous d'entrée d'air ( 50) et une rangée aval de trous d'entrée'd'air ( 52), les deux rangées s'étendant circulairement autour d'une paroi radialement extérieure ( 38) de la chambre de combus- tion, par lesquelles l'air de refoulement du compresseur ( 14) est envoyé dans une région annulaire ( 46) entre la paroi intérieure ( 42) et une paroi extérieure ( 40) de la chambre de combustion ( 16); ces régions annulaires ( 46) étant ouvertes vers l'aval de sorte que l'air de refroidissement est envoyé dans la chambre de combustion sous la forme d'un film d'air de refroidissement qui s'étend en aval le long d'une paroi radialement extérieure ( 34) de la turbine ( 18) refroidis- sant ainsi les bouts d'aube de turbine ( 30).