Brevet FR2567960A1 — publié le 19860124

L'invention concerne les systèmes d'air de refroidissement de turbine utilisés dans les moteurs à turbine à gaz. A mesure qu'on a augmenté les températures d'entrée des turbines de manière à améliorer le rendement des moteurs à turbines à gaz, il est devenu nécessaire de fournir de l'air de refroidissement aux aubes fixes et mobiles de turbine de manière à limiter les températures de ces composants à des niveaux qui puissent être supportés par les matériaux utilisés pour les fabriquer. Dans des conditions de fonctionnement à températures élevées, telles que le décollage lorsqu'on utilise les moteurs pour propulser des avions, la quantité d'air de refroidissement nécessaire est relativement élevée. Par opposition, pendant les conditions de fonctionnement à faible température, telles qu'un vol de croisière, il est nécessaire d'utiliser peu ou même pas du tout d'air de refroidissement pour les composants de turbine.Malgré ces conditions de fonctionnement très différentes, pour des raisons de simplicité et de sécurité, on a généralement considéré qu'il n'était pas souhaitable de moduler le débit d'air de refroidissement vers les composants de turbine. Comme on doit concevoir le moteur de manière à fournir la quantité d'air de refroidissement nécessaire pour le fonctionnement à la température maximum, ceci a eu pour résultat une quantité fournie excessive d'air de refroidissement pendant les autres conditions de fOnctionne- ment, ce qui tend à diminuer le rendement du moteur pendant ces périodes.Pour lesdites conditions de fonctionnement, ce débit excessif en pure perte a pour résultat de médiocres performances et une consommation de combustible plus élevée que ce ne serait le cas si on pouvait réduire le débit à la quantité minium nécessaire pour chaque condition de fonctionnement particulière. En réponse à ce problème de rendement, on a proposé et étudié différents concepts de réglage ou modulation du débit de refroidissement de turbine éliminant ainsi ces pertes de performances non souhaitées. es systèmes proposés ont généralement été constitués par des vannes ou dispositifs de modulation de débit situés quelque part dans une série de zones d'écoulement allant de la source jusqu'à l'évacuation. Beaucoup de ces systèmes sont complexes avec de nombreuses parties mobiles installées pratiquement à l'intérieur du moteur et par conséquent relativement inaccessibles lors d'une inspection, un réglage ou un entretien. Beaucoup de ces systèmes complexes sont aussi sujets à des problèmes de fiabilité, tels que le grippage ou le coinçage, puisqu'ils doivent souvent fonctionner dans des zones chaudes et inaccessibles ce qui empeche ou rend difficile le graissage des pièces ou leur entretien. La présente invention a pour objectifs de - réaliser un système de refroidissement modulé perfectionné pour un moteur à turbine à gaz - réaliser un système de refroidissement per fectionné pour un moteur à turbine à gaz qui comporte un système de modulation avec un moyen de manoeuvre externe pour un accès et un entretien facile. - réaliser un système de refroidissement per fectionné pour un moteur à turbine à gaz avec une modulation du débit de refroidissement qui utilise une configuration structurelle simple pour éviter toute perte de pression excessive. Selon un mode de réalisation de l'invention, on a réalisé un système de modulation de débit d'air de refroidissement comportant un collecteur circulaire pour collecter l'air et réaliser une alimentation d'air de refroidissement haute pression pour une section de turbine du moteur. On réaliste la modulation de l'air de refroidissement dans la turbine en modulant les alimentations en air de décharge de compresseur qui circule dans le collecteur circulaire. On envoie l'air de décharge du compresseur dans un ou plusieurs passages qui ont des orifices d'entrée situés près de l'ôva- cuation du compresseur, de sorte que l'air comprimé sortant du compresseur peut s'couler de manière continue dans les passages.Les passages ont une configuration telle qu'ils envoient l'air de décharge du compresseur relativement froid radialement vers l'intérieur et ensuite axialement en aval vers l'emplacement du collecteur. On place des vannes a proximité des orifices d'entrée de un ou plusieurs de ces passages pour moduler le débit d'air de refroidissement qui les traverse. Cette modulation réglera l'alimentation d'air vers le collecteur. On manoeuvre les vannes suivant les conditions de fonctionnement du moteur pour fournir des quantités appropriées d'air de refroidissement aux aubes de turbine du moteur pendant des conditions de fonctionnement du moteur variables. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement - figure 1 une vue schématique en coupe d'un moteur à turbine à gaz avec un mode de réalisation classique d'un système d'air de refroidissement de turbine - figure 2 une vue schématique en coupe d'un moteur à turbine à gaz incorporant un mode de réalisation de la présente invention - figure 3 une vue schématique en coupe d'un moteur à turbine à gaz avec un autre mode de réalisation de la présente invention En liaison avec la figure 1, on a représenté d'une manière générale en 10 une partie d'un moteur à turbine à gaz ayant, placés en série un compresseur 12, une chambre de combustion 14, une turbine haute pression 16 et une turbine basse pression 18.En mode de fonctionnement classique, on comprime l'air d'entrée par le compresseur 12 et ensuite on l'envoie de manière générale vers la chambre de combustion 14. La plus grande partie de cet air comprimé passe dans la chambre de combustion 14 où il est mélangé avec le comoustible et enflammé pour former les gaz à haute température et haute pression qui s'écoulent dans la turbine haute-pression 16, provoquant la rotation des aubes de turbine 20 pour permettre ainsi de réaliser des moyens de transfert de la puissance mécanique vers le compresseur 12 via un arbre 22.La turbine haute pression évacue ces gaz suivant un trajet d'écoulement aval 24 vers la turbine basse pression 18 où les gaz provoquent à nouveau la rotation d'aubes de turbine, réalisant ainsi des moyens de transfert de la puissance mécanique vers une soufflante, un arbre de sortie ou analogue (non représenté). On envoie ensuite les gaz évacués en provenance de la turbine basse -pression 18 hors du moteur à turbine à gaz 10 vers une canalisation ou tuyère d'éjection non représentée. On fait circuler une partie de l'air de décharge du compresseur pénétrant dans la zone générale de la chambre de combustion 14 de manière à refroidir les parties chaudes du moteur à turbine 10. Une partie de cet air qui entoure la chambre de combustion 14 pônôtre dans les parois de la chambre de combustion pour en refroidir leurs surfaces internes par des processus de convection et/ou de refroidissement par film. On envoie d'autres parties de cet air vers un premier étage d'aubes de turbine 26 de manière à réaliser une fonction de refroidissement par un processus d'impact et de diffusion. On envoie encore d'autres parties de l'air de décharge du compresseur le long de trajets tels que ceux représentés par les flèches de la figure 1 pour refroidir les aubes de turbine 20 de la turbine haute pression 16. On admettra que pendant les modes de fonctionnement à puissance élevée, des conditions de fonctionnement à température élevée sont dominantes et qu'il est nécessaire d'avoir une quantité' importante d'air de refroidissement pour refroidir les parties chaudes de la turbine. Cependant, il existe d'autres modes de fonctionnement du moteur pour lesquels des quantités moindres d'air de refroidissement sont nécessaires. Il peut y avoir même certains modes de fonctionnement du moteur pour lequel il n'est pas nécessaire d'avoir de l'air de refroidissement. La présente invention a pour but de moduler le débit d'air de refroidissement pour s'adapter aux besoins en refroidissement du moteur tout en réduisant l'utilisation d'air de refroidissement chaque fois que cela est possible de manière à augmenter le rendement du moteur. En liaison maintenant avec la figure 2, on a représenté dans un moteur à turbine à gaz un mode de réalisation du système de modulation du débit d'air de refroidissement 30 de la présente invention. Le système représenté est incorporé dans un moteur qui utilise un compresseur centrifuge avec une sortie 32 placée radialement vers l'ex térieur de la chambre de combustion 14. Le compresseur fournit de l'air de décharge de compresseur à haute pression à une zone 34 entourant la chambre de combustion.A nouveau, comme décrit auparavant, on envoie la majeure partie de cet air de décharge du compresseur dans la chambre de combustion 14 pour soutenir le processus de combustion qui a lieu à l'intérieurO Un ou plusieurs d'orifices d'entrée 36 du système de modulation 30 sont situés radialement vers l'exté- rieur de la chambre de combustion 14 et en amont de la sor tie de compresseur 32 dans le but d'empêcher du sable ou des particules de saletés de l'air de décharge du compresseur de pénétrer directement dans les orifices d'entrée 36 du système. I1 peut être très important d'empêcher la pénétration des articulets de saletés parce que l'air de refroidissement pénétrant dans le système est utilisé pour refroidir les aubes de turbine qui ont des passages d'air de refroidissement extrmement petits. Si une particule de saleté quelconque est entraînée dans le système, elle peut avoir tendance à bloquer ces passages d'air de refroidissement ce qui peut faire obstacle au processus de refroidissement et endommager les parties chaudes de la turbine. Les orifices d'entrée 36 envoient l'air de décharge du compresseur dans des conduites 38 correspondantes du système de refroidissement. On remarquera que l'on peut munir le moteur d'un nombre quelconque d'orifices d'en trée 36 avec les conduites correspondantes 38, ceci dépendant généralement de la taille des conduites et de la conception du moteur. Chaque conduite 38 envoie de l'air de décharge du compresseur radialement vers l'intérieur à un endroit en amont de la chambre de combustion 14, et ensuite axialement en aval à l'intérieur du moteur vers la zone de la turbine haute pression 16. Avant de pénétrer dans la turbine, on collecte l'air de refroidissement dans des collecteurs circulaires 40, qui servent de sources d'air de refroidissement haute pression pour le refroidissement interne de la turbine. A partir de cette source, on envoie un courant d'air de refroidissement à travers des accélérateurs de débits tangentiels 42 en direction d'un rotor de turbine 43. L'air de refroidissement s'écoule par des ouvertures d'entrée 44 pour pénétrer dans une chambre de flasque de refroidissement de rotor 46. A partir de cette chambre 46, l'air est distribué radialement vers l'extérieur dans les sections internes des aubes de turbine 20. L'écoulement d'air refroidit les aubes de turbine 20 et sort par les orifices de refroidissement d'aubes de turbine dans un trajet d'écoulement de turbine 24. Les accélérateurs 42 réalisent une accélération de débit tangentielle jusqu a un niveau de vitesse qui est très proche de celui des ouvertures d'entrée 44 de débit de refroidissement du rotor de turbine pou-r augmenter la pression statique dans la chambre de refroidissement 46 par rapport au rotor de la turbine, augmentant ainsi la pression interne des aubes de turbine. I1 est nécessaire d'avoir un niveau de pression suffisant dans les aubes 20 pour empecher l'inversion de l'ôcoulement de refroidissement et l'ingestion de gaz d'éjection chauds dans les aubes, phénomène connu sous le nom de refoulement. Le lecteur remarquera qu'il y a deux collecteurs circulaires 40 representés figure 2. Un nombre prôdô- terminé de conduites d'air 38 fournira de l'air a un seul collecteur 40, et ces conduites d'air prédéterminées seront munies de vannes 48 situées juste en aval de l'orifice d'en trône 36. On réalise les vannes 48 dans le but de moduler le débit d'air, de refroidissement à travers les canalisations d'air 38 pour moduler ainsi le débit d'air de refroidissement dans l'un des collecteurs 40, et par conséquent, vers l'un des accélérateurs 42. On décrira un peu plus loin les avantages de cet agencement. Les vannes 48 peuvent etre constitutôes par n'importe laquelle d'une grande variété de configurations de vannes A titre d'exemple de dispositifs possibles, on peut utiliser une vanne à opercule, une vanne papillon ou une vanne à clapet comme représentée figure 2. La vanne à clapet representée comporte un clapet pivotant 50 qui peut reposer contre une paroi de la conduite 38, laissant ainsi la conduite ouverte. Pour fermer la vanne a clapet, on déploie un bras de manoeuvre 52 permettant au clapet de pivoter vers la position indiquée par une ligne en traits discontinus et donc de fermer ainsi la conduite d'air 38. On déploie et on rétracte le bras de manoeuvre 52 au moyen d'un dispositif de manoeuvre externe 54 qui peut être mécanique, électrique, pneumatique, hydraulique ou l'un quelconque de plusieurs autres types de dispositifs de manoeuvre. Bien que le type de dispositif de manoeuvre utilisé ne soit pas important, il est par contre utile de placer ce dispositif 54 à l'extérieur de l'enveloppe 56 du moteur. Ceci permet un accès facile au dispositif de manoeuvre 54, par exemple pour son entretien. Placer ce dispositif de manoeuvre à l'extérieur empêche aussi le dispositif d'etre exposé aux températures élevées existant à l'intérieur de la région de chambre de combustion 34 du moteur. Cela rend aussi relativement simple la mise en place de tout moyen de commande nécessaires au dispositif 54 de manière à faire fonctionner ce dispositif de façon appropriée pendant les différents modes de fonctionnement du moteur. Comme décrit précédemment, le système de modulation de débit d'air de refroidissement représenté figure 2 comporte deux collecteurs circulaires 40 adjacents l'un à l'autre et au-dessus l'un de l'autre. Dans le mode de reali- sation représenté, chacun de ces deux collecteurs est directement relié à une ou plusieurs conduites d'air 38 correspondantes. Ce type d'agencement a un avantage inhérent en ce que, lorsqu'on ferme par la vanne 48 certaines conduites d'air 38 prédéterminées, les conduites d'air 38 restantes demeurent ouvertes vers un collecteur 40 non modulé. Le collecteur 40 non modulé relié aux conduites d'air ouvertes 38 demeure relativement peu affecté par toute perte de pression qui peut etre provoquée par les vannes fermées. Cet agencement de combinaisons de collecteur et conduite séparées conserve la totalité d'un niveau de pression normale à la combinaison collecteur et conduite ouverte, avec pour résultat que l'on a la totalité du rapport de pression à travers l'accélérateur tangentiel non modulé et la totalité de l'accélération du débit et des pressions élevées dans la chambre d'air de refroidissement 46 et dans les aubes de turbine 20. Comme indiqué précédemment, une pression élevée est nécessaire pour maintenir la limite de refoulement à travers l'aube 20. Cette limite de refoulement empêche les gaz chauds de la turbine de pénétrer dans l'aube 20 pendant le fonctionnement de la turbine. La modulation du débit pour toutes les combinaisons collecteur et accélérateur diminuerait le rapport de pression à travers l'accélerateur, la vitesse tangentielle de l'air sortant de l'accélérateur et en dernier lieu diminuerait la pression de l'air dans les aubes 20. Ainsi, l'utilisation de deux accélérateurs 42, de deux collecteurs 40 et des conduites 38 avec une modulation seulement pour une combinaison conduite, collecteur et accélérateur conserve la totalité du rapport de pression à travers l'accélérateur non modulé pour éviter les pertes de pression dans l'aube. Ceci permet une plus grande diminution des débits d'air de refroidissement tout en maintenant une limite de refoulement suffisante. On remarquera que le nombre total de collecteurs 40 et le nombre de collecteurs qui correspond aux accélérateurs 42 non modulés peut être variable. On remarquera aussi que le choix de l'emplacement des entrées de conduite en amont de la sortie du compresseur 32 comme représenté ici permet de prélever de l'air de refroidissement relativement propre, dans la mesure où le moment des particules entraînées dans l'air de décharge du compresseur oblige celles-ci à suivre une trajectoire qui contourne les entrées de conduite 36. La proximité des ouvertures 36 de conduite de l'enveloppe exterieure du moteur permet aussi le montage externe du système du dispositif de manoeuvre 54 et de toutes les parties mobiles permettant ainsi d'avoir une meilleure fiabilité, plus de simplicité et une meilleure capacité d'entretien. En liaison maintenant avec la figure 3, on a représenté un autre mode de réalisation du système de modulation de débit d'air de refroidissement 30. A nouveau le moteur utilise un compresseur centrifuge envoyant de l'air de décharge du compresseur vers une zone 34 entourant une chambre de combustion 14. L'air de décharge du compresseur pénétre dans une conduite d'air 38 à travers un orifice d'entrée 36. On règle le débit d'air dans cet orifice d'entrée 36 par une vanne à opercule saillant 58 que l'on peut manoeuvrer par l'un quelconque de différents types de manoeuvre 54. A nouveau, on envoie l'air de refroidissement par la conduite d'air 38 radialement vers l'intérieur et ensuite axialement en aval vers la zone de la turbine. Dans le mode de réaliation représenté figure 3, l'air de refroidissement, pénétre dans un seul collecteur circulaire 40 où l'air est collecté avant de l'envoyer par un accélérateur tangentiel 42 dans la turbine rotative. Bien que la présente invention ait été décrite en faisant une référence particulière à un mode de réalisation recommandé, les concepts de celle-ci sont facilement adaptables à d'autres modes réalisations et l'homme de l'art pourra modifier la structure sans s'éloigner du cadrè de la présente invention. Par exemple, alors que l'on a décrit l'invention en terme d'envoi du débit d'air de refroidissement vers les composants rotatifs de la turbine haute pression, on peut utiliser aussi cette invention pour refroidir d'autres parties rotatives ou des zones statiques d'un moteur à turbine à gaz. REVENDICATIONS 1. Dans un moteur à turbine à gaz comportant un compresseur centrifuge (12), une chambre de combustion (14)! et une section de turbine (18) coaxialement placés dans une enveloppe de moteur (56), le compresseur étant placé à l'avant de la chambre de combustion et la turbine étant placée à l'arrière de la chambre de combustion, le compresseur fournissant de l'air de décharge de compresseur pour refroidir la turbine, un système pour moduler cet air de refroidissement vers la turbine, caractérisé en ce qu'il comprend - une sortie (32) du compresseur placée radialement vers l'extérieur par rapport à la chambre de combustion et regardant vers l'arrière - une conduite (38) ayant des première et seconde extrémités, la première extrémité etant placée radialement vers l'extérieur de la chambre de combustion et la seconde extrémité étant placée radialement vers l'intérieur, et un orifice d'entrée (36) placé à la première extrémité et en avant de la sortie du compresseur - un collecteur (40) communiquant avec la seconde extrémité de la conduite (38) pour collecter l'air de refroidissement qui en provient, pour réaliser une source d'air de refroidissement pour refroidir la turbine - un accélérateur de débit tangentiel (42) communiquant avec la collecteur (40) et ayant pour effet d'envoyer l'air de refroidissement vers la turbine ; et - des moyens de vanne (48) ayant pour effet de moduler le débit d'air de refroidissement dans la conduite (38) et comportant un dispositif de manoeuvre (54) placé radialement vers l'extérieur de l'enveloppe, un bras de manoeuvre (52) s'étendant a partir du dispositif de manoeuvre (54) à travers l'enveloppe (56), et une vanne positionnable dans la conduite (38) pour moduler le débit d'air à travers cette conduite et qui est reliée de manière fonc tionnelle au bras de manoeuvre. 2. système de modulation d'air de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vanne est constituée par une vanne à opercule (58) placée dans l'orifice d'entrée (36). 3. Système de modulation d'air de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vanne est constituée par une vanne à clapet (50) placée dans la conduite (38). 4. Système de modulation d'air de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que - la turbine comporte en outre une série d'aubes de turbine (20) et une chambre (46) qui a pour effet de recevoir l'air de refroidissement pour le distribuer aux aubes de turbine - que la conduite 138) comporte des première et deuxième conduites parallèles - que le collecteur est constitué par un premier et un deuxième collecteurs circulaires parallèles ; - que l'accélérateur de débit tangentiel est constitué par un premier et un deuxième accélérateur de débit tangentiel circulaires parallèles qui communiquent avec la chambre (46) de la turbine ; et - que les moyens de vanne (48) ont pour effet de moduler le débit d'air seulement pour la première conduite, le premier collecteur et le premier accélérateur de débit tangentiel ; la deuxième conduite, le deuxième collecteur et le deuxième accélérateur de débit tangentiel ayant pour effet de canaliser sans restriction le débit en provenance du compresseur vers la turbine. 5. Dans un moteur à turbine à gaz ayant une turbine et une source de débit d'air de refroidissement comprimé pour refroidir la turbine, un système de modulation -du débit d'air de refroidissement de la turbine, caractérisé en ce qu'il comporte: - une série de collecteurs circulaires (40) tai réalisent une source de débit d'air de refroidissement haute pression au moyen d'accélérateur de débit tangentiel (42) pour le refroidissement interne de la turbine - une série de conduites (38) pour envoyer l'air de refroidissement comprimé radialement vers l'intérieur et axialement en aval à partir des orifices d'entrée (36) vers la série de collecteurs (40) et dans lequel chacun des orifices d'entrée est situé axialement en amont d'une sortie (32) de la source d'air de refroidissement comprimé pour empêcher les saletés de pénétrer dans le système de modulation - des vannes (48) pour moduler le débit à travers une ou plusieurs des conduites (38) et caractérisé en ce que les conduites (38) et les collecteurs (40) sont placés en combinaison conduite-collecteur dans lesquels au moins une des combinaisons conduite-collecteur peut être modulée sans affecter le différentiel de pression dans au moins une autre des combinaisons conduite-collecteur. 6. Dans un moteur à turbine à gaz ayant des parties qui nécessitent de l'air de refroidissement, et une source d'air de refroidissement comprimé pour refroidir lesdites parties, un système de modulation de l'air de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte - une série de collecteurs (40) qui fournissent une source d'air de refroidissement haute pression pour le refroidissement interne de la turbine - une série de conduites (38) envoyant cet air de refroidissement haute pression vers la série de collecteurs - des moyens de vanne (48) pour moduler le débit d'air de refroidissement comprimé dans certaines des conduites (38) sans affecter le débit d'air dans un ou plusieurs des conducteurs, réalisant ainsi des moyens de mod lation de débit d'air de refroidissement tout en maintenant une limite de refoulement suffisant. 7. Dans un moteur à turbine à gaz fonctionnant avec un premier et un deuxième modes de fonctionnement et comportant un rotor à refroidir et un compresseur pour fournir de l'air de refroidissement comprimé, un dispositif de modulation d'air de refroidissement caractérisé en ce qu'il comporte - un premier accélérateur tangentiel (42) pour canaliser une première partie de l'air de refroidissement vers le rotor pendant a' la fois le premier et le deuxième modes de fonctionnement ; - un deuxième accélérateur tangentiel pour canaliser une deuxième partie de l'air de refroidissement vers le rotor ; et - des moyens de vanne (48) pour moduler au choix la quantité de la deuxième partie d'air de refroidissement traversant le deuxième accélérateur, pour empêcher l'écoulement à travers ce dernier pendant le premier mode de fonctionnement et pour permettre un écoulement pratiquement sans restriction à travers l'accélérateur pendant le deuxième mode de fonctionnement. 8. Dans un moteur à turbine à gaz fonctionnant avec un premier et un deuxième modes de fonctionnement et comportant un rotor à refroidir et un compresseur qui a pour effet de fournir de l'air de refroidissement comprimé, une méthode de modulation d'air de refroidissement, caractérisée en ce qu'elle consiste å : - canaliser une première partie de l'air de refroidissement vers le rotor pendant à la fois le premier et le deuxième mode de fonctionnement et canaliser une deuxième partie de l'air de refroidissement vers le rotor pendant le deuxième et non pendant le premier mode de fonc tionnement. 9. Une méthode de modulation de l'air de re froidissement selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle consiste en outre à canaliser la première et la deuxième partie de l'air de refroidissement pratiquement tangentiellement au rotor.