Brevet FR2734865A1 — publié le 19961206

TURBINE A CYCLE DE REFROIDISSEMENT AMELIORE La présente invention concerne de façon générale des moteurs à turbine à gaz et plus particulièrement un système de refroidissement amélioré destiné à être utilisé avec des moteurs à turbine à gaz. Les moteurs à turbine à gaz de hautes performances nécessitent d'augmenter les températures de combustion et les pressions de compresseur. Un fluide de refroidissement pour la partie de compresseur est dirigé par des passages de refroidisse- ment et le refroidissement est utilisé pour assurer la fiabilité et la durée de vie de composants individuels du moteur. Par exem- ple, pour améliorer des caractéristiques d'économie de carburant, on fait fonctionner les moteurs à des températures plus élevées que les limites des propriétés physiques matérielles de compo- sants constituants du moteur. Ces températures plus élevées, si elles ne sont pas compensées, oxydent des composants du moteur et réduisent leur durée de vie. Des passages de refroidissement sont utilisés pour diriger un flux d'air vers ces composants du moteur pour réduire leur température élevée et prolonger leur durée de vie en limitant la température à un niveau cohérent avec les pro- priétés matérielles de ces composants. De façon classique, une partie de l'air comprimé est soutirée de la partie de compresseur du moteur pour refroidir ces composants. Ainsi, la quantité d'air soutirée de la partie de compresseur est habituellement limitée pour assurer que la partie principale de l'air est utilisée pour la combustion du moteur pour réaliser une tâche utile. Les températures de fonctionnement des moteurs et le taux de compression du compresseur sont augmentés pour augmenter le rendement et la puissance. L'air de refroidissement soutiré de ces compresseurs de moteurs à taux de compression plus élevé est à une température élevée due au travail de compression. Par exem- ple, dans certaines applications, la température est supérieure à 1100 F (356 C). La température élevée de l'air de refroidissement réduit l'efficacité du refroidissement et nécessite une quantité notablement plus grande d'air de refroidissement pour maintenir la température de composants métalliques en dessous d'une limite choisie. Plus d'air de refroidissement est nécessaire pour refroidir des composants critiques, d'o il résulte que moins d'air du compresseur est disponible pour la combustion, ce qui réduit le rendement du moteur. Ainsi, on recherche un système qui réduise la quantité d'air de refroidissement extrait du compresseur et améliore le rendement du moteur ou bien on recherche une meilleure utilisation de l'air de refroidissement. La présente invention vise à pallier un ou plusieurs des problèmes susmentionnés. Selon un aspect de la présente invention, il est prévu un système de fourniture d'air pour un fluide de combustion et pour un fluide de refroidissement utilisé pour refroidir des composants d'un moteur à turbine à gaz. Le moteur comprend une partie de compresseur et le système de fourniture d'air est cons- titué d'un premier trajet d'écoulement de fluide reliant la partie de compresseur à la partie de combustion. La partie de compresseur comprend une pluralité d'aubes comprenant une première partie d'aube provoquant un débit de fluide dans le premier trajet de fluide quand la partie de compresseur fonctionne, et un second trajet de fluide reliant le premier trajet de fluide aux composants du moteur à turbine à gaz à refroidir. Le second trajet de fluide comprend un échangeur de chaleur interposé entre le premier trajet de fluide et les compo- sants à refroidir. Dans le second trajet de fluide, un flux d'air de refroidissement est formé par le fonctionnement d'une seconde partie d'aubes formée sur la pluralité d'aubes. Selon un autre aspect de l'invention, un système de fourniture d'air est utilisé dans un moteur à turbine à gaz. Le moteur à turbine à gaz comprend une partie de compresseur ayant une pluralité d'étages comportant chacun un disque auquel sont fixées une pluralité d'aubes, et une partie de combustion et une partie de turbine disposées en relation de fonctionnement. Le système de fourniture d'air est constitué d'une partie de la pluralité d'aubes définissant une configuration à deux étages comprenant une première partie d'aube espacée d'une seconde partie d'aube par un segment en anneau. Un premier trajet de fluide comprend un passage dans lequel la première partie d'aube est disposée et le premier trajet de fluide est en communication d'écoulement de fluide avec la partie de turbine. Un second trajet de fluide comprend un couloir dans lequel est disposée la seconde partie d'aube, le couloir communiquant avec le premier trajet d'écoulement de fluide. Un écoulement de fluide est créé dans le premier trajet d'écoulement de fluide par la première partie d'aube pendant le fonctionnement de la partie de compres- seur. L'écoulement est de façon générale utilisé pour permettre un écoulement de fluide vers la partie de combustion. Un écoule- mnent de fluide de refroidissement est créé dans le second trajet de fluide par la seconde partie d'aube pendant le fonctionnement du compresseur. Le fluide est de façon générale utilisé pour fournir un écoulement de fluide de refroidissement pour refroidir des composants du moteur à turbine à gaz. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 est une vue partiellement en coupe d'un moteur à turbine à gaz mettant en oeuvre la présente invention; la figure 2 est une vue de côté schématique d'une partie d'un moteur à turbine à gaz mettant en oeuvre la présente invention; la figure 3 est une vue en coupe agrandie d'une partie du moteur à turbine à gaz mettant en oeuvre la présente invention; la figure 4 est une vue de côté représentée schémati- quement d'un moteur à turbine à gaz incluant une variante de réalisation de l'invention; la figure 5 est une vue en coupe agrandie d'une partie de moteur à turbine à gaz incluant une variante de la présente invention; et la figure 6 est une vue en coupe agrandie d'une partie d'un moteur à turbine à gaz, selon la ligne 6 de la figure 1. Les figures 1 et 2 représentent partiellement un moteur à turbine à gaz 10. Le moteur à turbine à gaz 10 comprend un système de fourniture d'un flux d'air 12 pour fournir de l'air de combustion et pour fournir de l'air de refroidissement pour refroidir des composants du moteur 10. Le moteur 10 comprend une partie de turbine 14, une partie de combustion 16, une partie de compresseur 18 et un échangeur de chaleur 20. La partie de combustion 16 et la partie de compresseur 18 sont fonctionnelle- ment reliées à la partie de turbine 14. Ici, la partie de combus- tion 18 comprend une chambre de combustion annulaire 24 position- née autour d'un axe central 26 du moteur à turbine à gaz 10. La chambre de combustion annulaire 24 est disposée opérativement entre la partie de compresseur 18 et la partie de turbine 14. Plusieurs buses d'injection de carburant 34 (dont une est repré- sentée) sont disposées à une extrémité d'entrée 36 de la chambre de combustion annulaire 24. La partie de turbine 14 comprend une turbine de premier étage 38 centrée sur l'axe central 26. Comme le montrent mieux les figures 3 et 6, la partie de compresseur 18 est ici un compresseur axial à plusieurs étages dont une partie seulement est représentée. Les étages 40 dans la partie de compresseur 18 tournent chacun autour de l'axe central 26 et comprennent un disque central 42 muni d'une plura- lité d'aubes 44 qui lui sont fixées. Les aubes 44 sont posi- tionnées en rotation dans un carter 46. De chaque côté de l'aube tournante 44 se trouve une structure de stator 48. La relation entre les aubes tournantes 44 et la structure de stator 48 forme une interface de façon générale étanche. La structure de stator 48 comprend une pluralité de segments d'aubes 50 comprenant un segment de bague interne 51 espacé d'un segment de bague externe 52 par une pluralité d'aubes 54. Chacune des aubes 44 comprend une partie de base 56 disposée dans le disque 42. Une partie de plate-forme 57 faisant saillie de façon radiale et une première partie d'aube 58 s'étendant radialement à partir de la partie de plate-forme 57. Une extrémité externe 59 est définie sur la première partie d'aube 58. Un passage 60 est formé entre le carter 46 et la partie de plate-forme 57 des aubes 44. La première partie d'aube 58 est disposée dans le passage 60 et l'extrémité externe 59 est en relation de rotation proche du boîtier 46. En fonctionnement, les aubes 44 provoquent un flux d'air comprimé désigné par les flèches 62 comme on le voit mieux en figure 1. Le système de fourniture de flux d'air 12 comprend un premier trajet d'écoulement d'air 64 reliant le passage 60 de la partie de compresseur 18 à la partie de turbine 14. En fonction- nement, un écoulement de fluide, désigné par les flèches 62 est disponible dans le premier trajet de fluide 64. Le premier trajet de fluide 64 comprend en outre un passage interne 70 disposé dans le moteur à turbine à gaz 10. L'écoulement de fluide comprimé 62 est dirigé par ce passage de la partie de compresseur 18 vers la partie de combustion 16 dans laquelle une partie du fluide com- primé, de l'air, est utilisée pour se mélanger avec un carburant combustible, non représenté, brûlé, le résultat étant utilisé pour entraîner la turbine 38 de la partie de turbine 14. Le système de fourniture d'air 12 comprend en outre un second trajet d'écoulement de fluide 76. Le système 12 comprend une partie de la pluralité d'aubes 44 incluant une aube de compresseur à deux étages 78 conmme on le voit mieux en figures 3 et 6. Chacune des aubes à deux étages 78 comprend un segment de bague 80 fixé à l'extrémité externe 59 et une seconde partie d'aube 82 s'étendant radialement à partir du segment de bague 80. Dans cette application, une seule des aubes 44 fixées au disque d'un étage individuel 42 a une configuration d'aube de compresseur à deux étages 78. Dans la position assemblée, chacun des segments de bague 80 de chaque aube de compresseur à deux étages 78 forme de façon générale une bague 83 qui est en rela- tion générale de scellement avec le segment de bague externe 52 de la structure de stator 48. La seconde partie d'aube 82 s'étend dans un couloir ou passage 84 formé entre la bague 83 et le carter 46. Le couloir 84 comprend une partie d'extrémité d'entrée 86 et une partie d'extrémité de sortie 88. Une pluralité d'aubes de stator ou de diffuseur 90 est disposée dans le couloir 84 en aval de l'aube de compresseur à deux étages 78. Ici, les aubes de stator 90 sont formées en tant que partie de la structure de stator classique 48. Par exemple, chacune des aubes de stator 90 est fixée au segment de bague externe 52 par une partie d'embase 94 et à une première partie de réaction 96 qui s'étend à partir de là et qui est positionnée dans le couloir 84. Une bague externe 98 est fixée à la première partie de réaction 96 et est fixée en formant de façon générale une étanchéité avec le boîtier 46 de façon classique. L'aube de compresseur à deux étages 78 tourne autour de l'axe 26 et la seconde partie d'aube 82 est proche du carter 46. Un débit d'air de refroidissement est formé par le fonctionnement de la seconde partie d'aube 82 et est désigné par la flèche 100. Le flux d'air de refroidissement 100 sort par la partie d'extré- mité de sortie 88 du couloir 84 et est envoyé à la partie de turbine 14 par l'intermédiaire d'un couloir de refroidissement 102 de constitution classique, tel qu'un passage interne unique ou multiple ou un ou plusieurs tubes ou tuyaux. Une partie du flux d'air comprimé 62 est transmise à l'échangeur de chaleur 20 par l'intermédiaire d'un système de conduite 110 qui, ici, comprend un tube 112 ayant une première extrémité fixée au carter 46 et une seconde extrémité fixée à l'échangeur de chaleur 20. Le tube 112 comprend un passage 114 qui y est formé et qui communique avec le premier trajet de fluide 64 dans lequel se trouve l'air comprimé 62. Le passage 114 dans le tube 112 communique en outre avec l'échangeur de chaleur 20. Par exemple, ici, l'échangeur de chaleur 20 comprend un boîtier 120 ayant une première extrémité ou extrémité d'entrée 122 et une seconde extrémité ou extrémité de sortie 124. Dans le boîtier 120 se trouvent plusieurs tubes de refroidissement 126. Les tubes de refroidissement 126 ont une entrée commune 128 s'étendant vers l'extérieur à travers la première extrémité 122 et une sortie conmmune 130 s'étendant vers l'extérieur à travers la seconde extrémité 124. Les tubes de refroidissement 126 comprennent des ailettes 132 qui leurs sont fixées pour conduire la chaleur vers l'extérieur par rapport au fluide comprimé 62 et l'absorber par un fluide de refroidissement externe qui passe de façon classique dans l'échangeur de chaleur 20. Le fluide comprimé 62 entre par l'extrémité d'entrée 122 par le tube 112, donne sa chaleur aux tubes de refroidissement 126 qui sont en contact avec les ailettes 132, dissipe de la chaleur dans ceux-ci et sort par l'extrémité de sortie 124 en tant que fluide comprimé refroidi 62. Le fluide comprimé refroidi 62 est envoyé à l'extré- mité d'entrée 86 du couloir 84, vient en contact avec la seconde partie d'aube 82 de l'aube à deux étages 78, est accéléré et prend la forme du flux d'air de refroidissement 100. Ainsi, le second trajet de fluide 76 est achevé. Plusieurs variantes peuvent être utilisées sans sortir du domaine de l'invention. Par exemple, l'échangeur de chaleur 20 peut être de toute conception classique, par exemple un échangeur air-air, air-liquide, à ailettes en plaque, du type tube à ailettes ou du type à surface primaire. En outre, comme cela est représenté en figure 5, l'échangeur de chaleur 20 peut être monté à l'intérieur de la structure de moteur, ou, comme cela est représenté en figure 3, de façon externe. Le milieu de refroidis- sement peut être un liquide tel que de l'eau, un carburant ou un réfrigérant, ou un fluide gazeux tel que l'air. Si on utilise un carburant ou de l'eau comme milieu de refroidissement, le fluide de refroidissement, après être passé dans l'échangeur de chaleur, peut être utilisé pour alimenter le moteur ou comme injection d'eau ou de vapeur pour réduire des émissions, comme cela est représenté en figure 2. En outre, comme cela est représenté en figure 1 et à titre de variante en figure 4, le milieu de refroi- dissement pourrait comprendre un milieu fluide inerte ou non inflammable définissant un système fermé 140. A titre d'autre variante, le second trajet de fluide 76 pourrait comprendre une pluralité d'aubes de compresseur à deux étages 78 et d'aubes de stator 90 disposées de façon systématique pour fournir un trajet de fluide 100 dans le second trajet de fluide 76. La structure résultante réduit la quantité d'air de refroidissement requise pour refroidir des composants du moteur puisque la température de l'air de refroidissement est réduite et que le refroidissement effectif peut être réalisé avec moins d'air de refroidissement. En outre, la structure selon l'inven- tion ne nécessite pas de compresseur externe ou auxiliaire séparé, ou entraîné de façon interne. Le résultat d'ensemble de la structure est une quantité réduite d'air de refroidissement et un rendement amélioré du moteur. En fonctionnement, la quantité de fluide de refroidis- sement ou d'air en provenance de la partie de compresseur 18 uti- lisée dans le second trajet de fluide 76 du système de fourniture d'air 12 pour refroidir des composants du moteur 10 a été réduite. Il en résulte un rendement et une puissance améliorés du moteur à turbine à gaz 10 tout en augmentant la longévité des composants utilisés dans le moteur à turbine à gaz 10. Le fonctionnement décrit ci-après concerne la turbine de premier étage 38. Toutefois, le refroidissement du reste des composants du moteur, tels que des déflecteurs d'air (aubes et buses), pour- rait être très similaire, si un refroidissement est utilisé. Le moteur à turbine à gaz 10, en fonctionnement, comprime l'air filtré par la première partie d'aube 58 au niveau de chacun de plusieurs étages 40 formant le flux d'air comprimé 62 dans le premier trajet de fluide 64. Une partie du flux d'air comprimé 62 est extraite du premier trajet de fluide 64 et est envoyée à l'échangeur de chaleur 20 par un système de conduite 110. Dans l'échangeur de chaleur 20, de la chaleur est extraite de l'air comprimé 62 et transférée à un milieu de refroidissement au moyen d'ailettes 132 et de tubes 126. L'air comprimé refroidi 62 sort de l'échangeur de chaleur 20 et est transmis à la partie d'extrémité d'entrée 86 du couloir 84. L'air comprimé refroidi 62 est en contact avec la seconde partie d'aube 82 dans lequel sa vitesse est augmentée pour former le flux d'air de refroidisse- ment 100 dans le second trajet de fluide 76 qui est utilisé pour refroidir des composants du moteur à turbine à gaz 10, tels que des parties de la partie de turbine 14. Ainsi, les avantages essentiels du système de refroi- dissement de turbine amélioré comprenant le système de fourniture d'air 12 sont de fournir de l'air de combustion et de fournir un air de refroidissement à plus basse température qui sera utilisé plus efficacement pour refroidir des composants du moteur à turbine à gaz 10, augmentant la durée de vie des composants et entraînant que moins d'air est extrait dans des buts de refroi- dissement de la partie de compresseur, ce qui contribue à accroître le rendement du moteur. Le système de fourniture d'air 12 comprend le premier trajet de fluide 64 et le second trajet de fluide 76. Le second trajet de fluide 76 extrait de l'air de refroidissement 62 du premier trajet de fluide 64, refroidit l'air pour une action de refroidissement plus efficace et dirige l'air de refroidissement refroidi 100 vers des composants du moteur 10 à refroidir. De plus, la première partie d'aube 58 de l'aube de compresseur à deux étages 78 est utilisée pour provo- quer l'écoulement de fluide 62 dans le premier trajet de fluide 64 et la seconde partie d'aube 82 est utilisée pour provoquer l'écoulement de fluide 100 dans le second trajet de fluide 78. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Système de fourniture de flux d'air pour fournir un fluide de combustion et un fluide de refroidissement pour refroi- dir des composants d'un moteur à turbine à gaz ayant une partie de compresseur (18), ce système de fourniture d'air comprenant: un premier trajet de fluide (64) reliant la partie de compresseur (18) à la partie de combustion (16), la partie de compresseur comprenant une pluralité d'aube comportant une première partie d'aube provoquant un débit de fluide dans le premier trajet de fluide quand la partie de compresseur est en fonctionnement; et un second trajet de fluide reliant le premier trajet de fluide aux composants du moteur à turbine à gaz à refroidir, le second trajet de fluide comprenant un échangeur de chaleur (20) interposé entre le premier trajet de fluide et des composants à refroidir, un écoulement d'air de refroidissement étant formé dans le second trajet de fluide par le fonctionnement d'une seconde partie d'aube formée sur la pluralité d'aubes. 2. Système de fourniture d'air selon la revendication 1, dans lequel au moins l'une de ladite pluralité d'aubes a une configuration d'aube à deux étages. 3. Système de fourniture d'air selon la revendication 2, dans lequel la configuration d'aube à deux étages comprend une partie d'embase, une partie de plate-forme faisant saillie radia- lement à partir de celle-ci, la première partie d'aube s'étendant radialement à partir de la partie de plate-forme, une extrémité externe définie sur la première partie d'aube, un segment de bague étant fixé à l'extrémité externe et la seconde partie d'aube s'étendant radialement à partir du segment de bague. 4. Système de fourniture d'air selon la revendication 1, dans lequel le premier trajet de fluide comprend un passage dans lequel est placée la première partie d'aube. 5. Système de fourniture d'air selon la revendication 4, dans lequel le second trajet de fluide comprend un couloir dans lequel est disposée la seconde partie d'aube. 6. Système de fourniture d'air selon la revendication , dans lequel le passage est séparé du couloir. 7. Système de fourniture d'air selon la revendication 1, dans lequel l'échangeur de chaleur est monté de façon externe par rapport au moteur à turbine à gaz. 8. Système de fourniture d'air selon la revendication 7, dans lequel l'échangeur de chaleur est du type à tube et ailettes. 9. Système de fourniture d'air selon la revendication 1, dans lequel l'échangeur de chaleur est monté à l'intérieur du moteur à turbine à gaz. 10. Système de fourniture d'air selon la revendication 1, dans lequel l'échangeur de chaleur comprend un système fermé contenant un fluide inerte et non-inflammable.