Brevet FR2536460A1 — publié le 19840525

Diffuseur compact perfectionné, convenant particu- lièrement pour des turbines à gaz de haute puissance. La présente invention concerne des perfectionnements apportés à un diffuseur qui convient particulièrement pour des turbines à gaz de haute puissance (dépassant 10 000 k W) et qui permet d'obtenir des rendements de diffusion très élevés pour des dimensions hors-tout axiales et radiales faibles ne dépassant pas celles qui sont admissibles dans les conceptions classiques et qui sont dictées par des consi- dérations de transport En raison du rendement de diffusion élevé que l'on peut obtenir et de la vitesse consécutive plus faible des gaz d'échappement, on bénéficie également d'une réduction considérable des vibrations et du bruit, ce qui facilite la construction du silencieux d'échappement avec,pour conséquence,une réduction des prix et de l'encom- brement. On sait que les diffuseurs utilisés le plus fréquem- ment dans les turbines à gaz de puissance sont dérivés de ceux conçus et agencés pour des turbines aéronautiques dans lesquelles une faible dimension radiale hors-tout est essen- tielle et dans lesquelles le conduitde diffusion, pour supporter le palier de l'arbre qui, sans cela, ne pourrait pas l'être, doit être traversé par des entretoises ou cloisons à double paroi profilées de façon aérodynamique et refroidies intérieurement par un gaz froid. Ces diffuseurs sont constitués par deux parois coniques coaxiales avec, entre les cônes, un angle d'environ 7 A ce sujet, un diffuseur de ce type présente son rendement maximal dans les conditions du meilleur compromis entre, d'une part, la perte par frottement à l'endroit des deux parois, perte qui dépend de la longueur pour des finitions de surface égales et est de ce fait d'autant plus faible auele diffuseur est plus court et, d'autre part, les pertes par turbulence de diffusion cui sont d'autant plus faibles que la diffusion est plus-progressive et que, de ce fait, le diffuseur est plus long On s'est aperçu expérimentalement que la longueur optimale de compromis, selon le degré de finition, la vitesse, etc, correspond dans une première approximation, à un angle d'environ 70 entre les cônes pour les diffuseurs à double paroi dont l'étendue est principalement axiale. Par ailleurs, le gaz s'écoule encore à grande vitesse lorsou'il quitte le diffuseur et, par conséquent, son énergie est perdue mais, comme l'échappement est axial et si on tient corpte du compromis aéronautique entre le poids, les dimen- sions hors tout et le rendement, cette perte est acceptable. Les turbines installées à terre, dont la conception découle de l'expérience aéronautique, utilisent des diffuseurs similaires, la seule différence étant qu'à l'extrémité du diffuseur, l'écoulement du gaz est amené à s'incurver dans la direction radiale en raison du fait que l'échappement est radial dans ces turbines installées à terre Pour incurver le courant de gaz avec de plus faibles pertes et de plus faibles rayons, on dispose souvent dans la courbe des ensembles de déflecteurs dont la section droite a la forme d'arcs de cercle parallèles On considère que la diffusion du gaz est terminée à l'extrémité de la partie conique et les déflecteurs servent uniquement à réduire la chute de pression à travers la courbe et non pas à des fins de diffusion. Ce type de diffuseur n'exploite pas le large éventail de possibilités offert par les installations à terre par rapport aux installations aéronautiques et, à ce sujet: a) il maintient les entretoises de support de palier à l'entrée du diffuseur o le gaz a une vitesse considérable, ce qui entraîne une certaine perte qui est d'autant plus grande que la turbine doit fonctionner dans des conditions autres que les conditions prévues à la conception car, dans ce cas, la perte provoquée par la réduction de section droite pendant le passage à travers les entretoises est augmentée de la perte provoquée par le choc du gaz contre ces dernières, ce choc se produisant sous un angle d'incidence qui est d'autant plus éloigné de l'angle optimal que le fonctionnement s'écarte du point de fonctionnement prévu à la conception 253 U 460 (dans le cas des turbines implantées à terre, il est courant de fonctionner à 50 % de la vitesse initiale prévue à la conception) Dans la turbine aéronautique, les entretoises sont essentielles pour des'raisons de poids et de dimensions hors-tout Dans la turbine installée à terre, le palier pourrait aussi bien être supporté à partir de l'extérieur si certains problèmes mécanicues concernant la ligne d'arbre étaient résolus. b) il ne réduit pas à un minimum la vitesse des gaz d'échappement sans aggraver le rendement et le niveau du bruit. Un des types de diffuseurs qui commence à être adopté dans les turbines installées à terre est caractérisé préci- sément par la suppression de ces entretoises et par une tentative pour améliorer la diffusion dans la courbe finale. On supprime les entretoises en assurant le support du palier à partir de l'extérieur, étant donné que l'échappement n'est plus axial, et en donnant à la courbe la forme d'un diffuseur réellement courbé qui est beaucoup plus compliqué qu'un diffuseur droit mais qui, grâce à une conception soignée et à un réglage expérimental, peut atteindre une récupération encore plus satisfaisante. Pour améliorer davantage ce type de diffuseur, il est nécessaire soit, d'augmenter la partie axiale conique de manière à parvenir à la courbe avec un rapport de diffusion plus grand, ce oui toutefois entraîne une augmentation intolérable de la longueur axiale de la turbine, soit de disposer une paroi intermédiaire dans ladite partie de manière à doubler l'angle de diffusion Cette façon de procéder a- été suivie en particulier par les fabricants qui conservent les entretoises de support de palier pour assurer également le support de la paroi intermédiaire par ces dernières. Toutefois, cette conception ne donne que des résultats insignifiants pour des raisons évidentes A ce sujet, si on conserve ces entretoises, toutes les pertes précitées dans des conditions de fonctionnement autres que les conditions prévues à la conception se manifestent encore et, de plus, par suite de l'équilibre précité entre les pertes par frot- tement et les pertes par diffusion, l'introduction de la double paroi dans la zone o le gaz se déplace encore à grande vitesse, entraîne une augmentation des pertes duee au frottement et au choc à l'entrée, ce qui diminue considé- rablement les avantages théoriques de l'accroissement de diffusion. Une seconde façon de procéder consiste à augmenter la partie courbée du diffuseur, mais ceci entraîne une augmentation des dimensions radiales hors-tout, ce qui dans le cas des grandes turbines, est même encore moins tolérable (problème de transport, etc). L'objet de la présente invention est de remédier à ces problèmes-de dimensions et d'obtenir une diffusion considérablement améliorée et, de ce fait, un rendement accru de laturbine avec un bruit d'échappement plus faible. On atteint essentiellement ce résultat à l'aide d'un diffuseur constitué par une première partie de diffuseur comprenant deux parois principalement coniques et s'étendant dans une direction qui forme un certain angle avec l'axe de manière à se présenter elle-même dans de meilleures conditions a la courbe Cette première partie de diffuseur, qui est exemptad'entretoises et de parois intermédiaires, mais qui fonctionne dans des conditions optimales, forme la partie la plus importante du système de diffusion et est suivie par un double diffuseur courbé comprenant trois parois, ce gui permet une diffusion finale optimale dans la courbe et dans les limites des dimensions hors tout réalisables. La paroi intermédiaire qui permet de former le double diffuseur est supportée en porte-à-faux par un ensemble d'entretoises ou ailettes profilées de façon aérodynamique et disposées dans la partie finale du diffuseur à l'endroit o le gaz a presque complètement diffusé au point d'avoir une vitesse qui est si faible qu'il ne crée pas de pertes appréciables. Cet agencement, qui permet à la partie initiale de la paroi intermédiaire d'être supportée en porte-à-faux, est rendu possible grâce à la rigidité que possède la paroi intermédiaire en raison de ?a courbure On usine cette partie initiale de la paroi intermédiaire de manière à lui donner un profil aérodynamique qui convient pour diviser en deux courants le courant qui arrive de l'étage initial de diffu- sion sans être soumis à des chocs ou à des réductions brusques de section droite et, de plus, la partie de la section en porte-à-faux qui a la plus grande étendue est amincie de manière à présenter un profil qui est presque optimal par le fait qu'il supprime les modes de vibration aux diverses fréquences rencontrées dans lés différentes conditions de fonctionnement. Aux grandes vitesses, les pertes dues aux chocs et au frottement sont très importantes (elles augmentent de façon quadratique) et c'est ceci qui a déterminé la sup- pression des entretoises et le choix d'un diffuseur ne comprenant que deux parois dans la première partie. Dans la partie courbée, le gaz, qui a subi une décé- lération suffisante, demande davantage d'être guidé (la diffusion à travers une courbe est extrêmement plus compliquée). Pour cette raison, l'utilisation de la paroi intermédiaire sans entretoise dans la partie initiale permet un fonction- nement similaire à celui de deux diffuseurs courbés parallèles avec des angles de diffusion presque doublesce qui fait que le gaz peut pénétrer dans la chambre d'échappement à une vitesse égale à presque la moitié de celle qu'il est possible d'obtenir avec un diffuseur courbé classique final. Les entretoises finales qui supportent la paroi intermédiaire sont également conçues et disposées de façon inclinée de-telle manière qu'elles remplissent également une. fonction avantageuse du point de vue aérodynamique. A cet égard, en créant une réduction de section droite finale réglée (lorsque le gaz a presque terminé sa détente), l'uniformité de la vitesse circonférentielle de sortie du gaz se trouve améliorée d'une façon décisive. A ce sujet, du fait que le gaz quitte radialement le conduit d'échappement, il existe un manque important d'uniformité dans les trajets desfilés de courant de sortie et, en l'absence d'entretoises, ceci peut entraîner, depuis la partie de diffuseur courbé jusqu'à la chambre d'échap- pement, une vitesse de sortie qui est plusieurs fois plus élevée dans la partie voisine de l'orifice d'échappement aue dans la partie diamétralement opposée et, si on considère cue la chute de pression et le bruit varient avec le carré de la vitesse, on peut comprendre que cette action d'aspiration de L'orifice d'échappement peut avoir une influence extrê- mement négative. Ceci explique le fait apparemment contradictoire que l'on peut obtenir une augmentation de rendement en introdui- sant les entretoises (c'est-à-dire des obstacles) Il en est ainsi en raison du fait qu'en provoquant une réduction de section droite à la sortie des parties courbées, les entre- toises entraînent une répartition uniforme du gaz le long de la circonférence de la sortie en masquant l'action d'aspi- ration de l'orifice d'échappement radial, cette action n'étant pas symétrique par rapport à l'axe Le gaz quitte le diffuseur de façon presque parfaitement répartie dans le sens circonférentiel et si on dispose à l'intérieur de la chambre d'c chappement un conduit profilé de façon appropriée gui achemine le gaz de manière ordonnée en direction de la sortie, il atteint le silencieux final à une vitesse très faible pratiquement sans pulsations de pression et, de ce fait, avec un bruit aérodynamique minimal. Cet agencement de sortie finale est important car, dans de nombreux diffuseurs, une fraction importante de la récupération de pression qui a difficilement été atteinte dans le diffuseur se trouve anihilée dansla chambre d'échap- pement sous la forme d'une chute de pression L'effet est par conséquent une augmentation du rendement de la turbine et une réduction considérable du niveau de bruit du gaz d'échappement, réduction que l'on sait représenter un des inconvénients les plus difficiles à éliminer dans les turbines installées à terre (silencieux important et coûteux de faible longévité, étant donné que la température de fonction- 253 Q 460 nement dépasse 450 'C). Les essais expérimentaux ont confirmé entièrement ce phénomène et, en fait, la réduction finale du bruit constitue une mesure indirecte et immédiate du meilleur rendement lorsque les divers paramètres (nombre d'entretoises, profil initial, différence de courbure et de rapport) varient On a montré, par voie expérimentale encore, que dans les limites des dimensions hors tout admissibles, on ne peut pas étendre davantage le concept d'une multiplication des parois dans la partie courbée du diffuseur car, si on fait appel à une seconde paroi intermédiaire, les pertes consécutives par frottement annulent les améliorations Si on augmente encore le nombre de ces parois, le rendement commence à diminuer. On-va maintenant décrire de façon détaillée la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'une turbine à gaz de puissance utilisant le diffuseur selon la présente invention; la figure 2 estune coupe longitudinale partielle du diffuseur de la figure 1 représenté à une échelle plus grande: et la figure 3 est une coupe longitudinale partielle à une échelle beaucoup plus grande d'un détail du diffuseur selon la présente invention. Sur les figures, la référence 1 désigne le générateur de gaz qui alimente la turbine de puissance 2 dont le gaz d'échappement est acheminé jusqu'au carter ou conduit dtéchap- pement 3 par l'intermédiaire du diffuseur 4. Le diffuseur 4 est constitué par une première partie de diffusion 5 d'étendue sensiblement axiale et formé_par deux parois coaxiales 6 et 7 principalement coniques. La partie 5, qui est inclinée d'un certain angle (voir figure 2) par rapport à l'horizontale, afin de présenter dans de meilleules conditions le courant de gaz à la courbe, effectue la partie la plus importante de la diffusion et elle Ibbtient d'une manière optimalecar elle ne comporte aucune entretoise ou paroi intermédiaire La partie 5 est suivie par un double diffuseur courbé comprenant trois parois 8, 9 et 10, qui complètent la diffusion du gaz, lecuel est maintenant-sépaxré en deux courants indépendants, et, en même temps, amène le gaz à se courber dans le sens radial. La paroi intermédiaire courbée 9 qui permet de former le double diffuseur est supportée en porte-à-faux par un ensemble d'entretoises 11 profilées de façon aérodynamique, la dont les génératrices sont parallèles à l'axe horizontal de la machine et qui sont disposées presque à l'extrémité du double diffuseur courbé Les entretoises 11 sont dimensionnées de manière à créer dans le double diffuseur une réduction de section droite déterminée à la sortie des parties courbées afin que l'on obtienne une répartition circonférentielle uniforme de la vitesse de sortie du gaz lorsqu'il pénètre dans le carter ou conduit d'échappement 3 et, de ce fait, une atténuation notable de l'action d'aspiration non symétrique du gaz par l'orifice 12 du carter ou conduit d'échappement 3 Afin de ne pas perturber l'uniformité de l'écoulement de sortie circonférentielle du gaz depuis le diffuseur et de favoriser ainsi un écoulement ordonné du gaz en direction de l'orifice d'échappement 12, on raccorde le diffuseur 4 au carter ou conduit d'échappement 3 à l'aide d'une enveloppe 13 dont les contours sont reliés de façon uniforme au diffuseur et qui est disposée dans le carter d'échappement lui-même Enfin, ladite paroi intermédiaire courbée 9 commence par une partie 9 'qui est usinée et profilée de façon aérodynamique (voir spécialement la figure 3) de manière à diviser le courant de gaz, qui arrive de la première partie du diffuseur à une vitesse déjà réduite, en deux courants sans les soumettre à un choc ou à des variations brusques de section droite. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Diffuseur compact pour des turbines à gaz de haute puissance, caractérisé par le faitqu'il comprend une première partie de diffusion ( 5) qui est exempte d'entretoise et/ou de paroi intermédiaire, forme un trajet sensiblement axial, et est constitué par deux parois coaxiales ( 6, 7) principalement coniques, ladite partie étant suivie par un diffuseur courbé double comportant trois parois ( 8,9,10) dont la paroi intermédiaire courbée ( 9) est supportée en porte-à-faux par un ensemble d'entretoises (I 1 dont les génératrices sont parallèles à l'axe horizontal de la turbine etsont situées presque à l'extrémité du diffuseur courbé double précité. 2 Diffuseur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite paroi courbée intermédiaire ( 9) du diffuseur courbé double précité commence par une partie qui est usinée et profilée de façon aérodynamique de telle manière qu'elle divise le courant sans que celui- ci ne subisse de chocs ou de variations brusques de section droite. 3 Diffuseur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites entretoises sont profilées de façon aérodynamique et dimensionnées de telle manière qu'elles créent une réduction réglée de section droite à la sortie des parties courbées du diffuseur. 4 Diffuseur suivant la revendication 1, caractérisée par le fait qu'il est raccordé au carter ou conduit d'échap- pement ( 3) de la turbine au moyen d'une enveloppe ( 13) dont le contour est relié de façon régulière au diffuseur et qui est contenue dans le carter ou conduit d'échappement lui-même.