Brevet FR2844298A1 — publié le 20040312

Turbine à gaz à roue de turbine de type radial La présente invention concerne une turbine à gaz comprenant d'une part une roue de turbine de type radial et d'autre part un distributeur fixe alimenté par une 5 volute et entourant la roue, grâce auquel les gaz d'entrée provenant d'une chambre de combustion peuvent être amenés sur la périphérie de la roue avant de la traverser en direction centripète. L'invention concerne plus précisément les turbines radiales de faibles dimensions, à savoir celles dont la roue ne dépasse pas un diamètre de l'ordre de 200 10 mm, pour lesquelles le refroidissement est difficile et dont pour cette raison la température des gaz à l'entrée est limitée à 950 0C dans le cas d'une roue métallique. Le but de l'invention est de mettre en coeuvre une nouvelle technologie, permettant d'atteindre des températures de fonctionnement de l'ordre de 1300 'C pour des roues de turbines de faibles dimensions, à base essentiellement métallique. A cet effet, une turbine à gaz de type radial conforme à l'invention est caractérisée en ce que ladite roue de turbine est constituée sous forme massive et est traversée, depuis des entrées de sa périphérie jusqu'à des sorties sensiblement axiales, par des premiers canaux à au moins deux inclinaisons pour lesdits gaz, à savoir des canaux possédant par rapport à la direction radiale au moins une première inclinaison 20 dans le sens de rotation de la roue, et au moins une seconde inclinaison par rapport à la direction axiale, les dirigeant depuis la périphérie vers le centre de la roue, ces premiers canaux étant éventuellement chemisés par un garnissage de matériau réfractaire du genre céramique. Avantageusement, lesdits premiers canaux de la roue de turbine auront une 25 forme conique, leur section allant en s'élargissant desdites entrées auxdites sorties, grâce à quoi la force centrifuge s'exerçant sur les garnissages de matériau réfractaire aura tendance à les maintenir fermement dans lesdits canaux lors de la rotation de la roue de turbine. De préférence encore, lesdits premiers canaux comporteront à leurs 30 extrémités des inserts de protection en matériau réfractaire du genre céramique, maintenus en place par assemblages à concordance de formes dans l'extrémité correspondante du canal. Sur le plan de la réalisation pratique, on pourra prévoir que ladite roue de turbine comportera au moins deux disques emboîtés et fixés l'un sur l'autre, à savoir au moins un disque d'entrée et au moins un disque de sortie, et en ce que lesdits premiers canaux comprennent chacun au moins un premier tronçon traversant le disque 5 d'entrée et au moins un second tronçon traversant le disque de sortie, ces tronçons, à inclinaisons différentes, se raccordant l'un à l'autre à la surface de jonction entre les disques. Cette disposition permettra de donner aux premiers canaux les différentes inclinaisons nécessaires tout en rendant possible leur fabrication au moyen d'outils 10 classiques tels que des fraises. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, on peut encore prévoir que les entrées desdits premiers canaux sur la roue de turbine sont disposées en une série périphérique de S x N entrées, leurs sorties de la roue étant disposées selon S séries concentriques comprenant chacune N sorties. Dans ce cas, la roue de turbine pourra encore se caractériser en ce qu'une entrée sur S, desdits premiers canaux, est reliée à une sortie d'une première série de N sorties, l'entrée suivante à une sortie voisine d'une seconde série de N sorties etc, la Sè,me entrée suivante, du groupe de S entrées considéré, étant reliée à une sortie voisine de la Sième série de N sorties, l'entrée encore suivante ou première entrée du groupe 20 suivant de S entrées étant reliée à une autre sortie voisine de ladite première série de N sorties, et ainsi de suite. Avantageusement, le nombre S sera compris entre 2 et 5, et le nombre N entre 9 et 15. Préférentiellement, on choisira S = 3 et N = 11, le nombre total desdits premiers canaux dans la roue de turbine étant donc de 33. Pour ce qui est du distributeur fixe entourant la roue de turbine, on pourra prévoir qu'il est constitué d'une couronne massive, préférentiellement en céramique, traversée de seconds canaux pour les gaz d'entrée, ces seconds canaux étant inclinés chacun sur le rayon correspondant de la couronne, dans le sens prévu pour la rotation de ladite roue, auquel cas il sera avantageux de prévoir aussi des seconds canaux de 30 distributeur constitués par des trous coniques dont la section se rétrécit de leurs entrées vers leurs sorties. Selon un autre mode de mise en oeuvre plus classique, le distributeur fixe entourant la roue de turbine pourra aussi être constitué d'une série d'aubes fixes inclinées sur la direction radiale correspondante de la roue, dans le sens prévu pour la rotation de cette dernière. Un mode d'exécution de l'invention va maintenant être décrit à titre d'exemple nullement limitatif avec référence aux figures du dessin ciannexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en coupe axiale schématique de la turbine; - la figure 2 est une demi-vue en coupe axiale de la roue de turbine, par l'axe d'un canal; - la figure 3 est une vue en perspective de la face interne du disque 10 d'entrée de la roue de turbine, montrant la disposition particulière des canaux; - la figure 4 est une vue de face de la plaque de fermeture de la volute, montrant le distributeur fixe en bout; - la figure 5 est une vue de profil du distributeur, avec demi vue en coupe axiale, montrant un second canal; La roue de turbine 1, en alliage d'aluminium, a été représentée dans sa forme constituée de deux disques concentriques mutuellement emboîtés et fixés l'un sur l'autre par des boulons 2 masqués par un bouchon 3, à savoir un disque d'entrée 4 et un disque de sortie 5. Le trajet des canaux 6 du gaz moteur qui traversent la roue de turbine 1 pour entraîner sa rotation ont été schématisés sur la figure 1 par des lignes en 20 pointillés, chacun de ces canaux comprenant un premier tronçon 6a traversant le disque d'entrée 4 et un second tronçon 6b traversant le disque de sortie 5 (voir figure 2); ces tronçons, à inclinaisons différentes, se raccordent l'un à l'autre à la surface de jonction 23 entre les deux disques. Sur la figure 2 on a montré aussi que les premiers canaux 6 comportent à leurs extrémités des élargissements 21 et 22 pour des inserts de 25 protection en matériau réfractaire du genre céramique, maintenus en place par assemblages à concordance de formes dans l'extrémité correspondante du canal, ces assemblages étant ici du genre à queue d'aronde ou analogue. Par l'intermédiaire du moyeu d'extrémité 7 du disque d'entrée 4, la roue de turbine 1 est montée en porte-à-faux à l'extrémité d'un arbre 8 qui peut la relier à la 30 roue d'un compresseur, non représenté. En 9 on a schématisé la boîte à paliers de cet arbre. A la figure 3 on a montré une disposition particulière possible des tronçons 6a des canaux traversant le disque d'entrée 4 de la roue 1 de turbine. Sur la surface périphérique 24 de ce disque, une seule série périphérique des entrées de 33 tronçons de canaux sont considérées comme associées par groupes de S = 3 entrées el, e2, e3, puis el, e2, e3... Les sorties des N = 11 tronçons de canaux correspondant aux onze entrées el sont disposées selon une série extérieure de onze sorties sl, les sorties des 5 onze tronçons de canaux correspondant aux onze entrées e2 sont disposées selon une série intermédiaire de onze autres sorties S2, et les sorties des onze tronçons de canaux correspondant aux onze entrées e3 sont disposées selon une série intérieure d'encore onze autres sorties S3, ces sorties étant angulairement équiréparties dans chacune des S = 3 séries. Bien entendu, les tronçons traversant le disque de sortie 5 de la roue seront 10 situés à la suite des précédents, sans toutefois s'aligner avec eux. Dans ce mode de réalisation, on a représenté à la figure 4 un distributeur fixe constitué sous la forme d'une couronne massive 10 en céramique entourant la roue de turbine 1 et traversée de seconds canaux 1 1 pour les gaz d'entrée, par exemple au nombre de 19, ces canaux étant inclinés chacun sur le rayon correspondant de la 15 couronne, dans le sens prévu pour la rotation de ladite roue, et étant constitués par des trous coniques dont la section se rétrécit de leurs entrées vers leurs sorties (voir aussi figure 5). A titre indicatif, l'angle d'inclinaison de l'axe des seconds canaux sur la tangente au périmètre du distributeur au niveau de leur entrée dans celui-ci est de l'ordre de 190. La figure 5a montre, dans le système de coordonnées à trois axes Or, 20 Oa, Ou, centré en O à l'extrémité inférieure de l'axe OX d'un second canal 11, l'angle dit de nutation p # 710 que fait cet axe OX avec la direction radiale Or, et l'angle dit de précession y # 82 O que fait avec la direction axiale Oa la projection de cet axe OX dans le plan horizontal aOu, l'inclinaison de l'axe OX par rapport au plan vertical étant de l'ordre de 21 . Ces valeurs ne sont bien entendu données qu'à titre indicatif. Le gaz moteur issu d'une chambre de combustion ou analogue non représentée est amené à ce distributeur 10 par une volute comportant un corps de volute profilé 12 obturé par une plaque de fermeture 13, l'espace interne de cette volute allant en se rétrécissant en coin, depuis sa périphérie jusqu'au distributeur. La volute a pour fonction d'offrir au gaz moteur un canal dont la section va aussi en se 30 rétrécissant progressivement en faisant le tour de la couronne de distributeur, depuis l'entrée 14 de la volute jusqu'à un becquet de carénage 15 qui ferme l'espace ménagé entre la paroi de cette volute et la couronne 10. La fonction de ce becquet 15 est également d'assurer l'écoulement le plus uniforme possible au gaz moteur entrant dans le distributeur. Une cale d'étanchéité de type poronite (non représentée) est intercalée entre les extrémités de ce becquet 15 et les parois latérales de la volute 12-13. Les gaz détendus sortent de la turbine par une virole de sortie 16 connectée au distributeur fixe 10 et par laquelle s'échappent également les gaz fuyant par l'espace, pourvu de joints à labyrinthes, ménagé entre la roue de turbine 1 d'une part, le distributeur 10 et cette virole de sortie 16 d'autre part. A l'opposé, l'espace dans lequel tourne la roue de turbine 1 est limité par un écran 17 fixé par un ensemble de 10 vissage sur le carter 18 de la turbine et sur la boîte à paliers 9 de l'arbre 8, et qui a pour fonction de limiter les fuites de l'air de ventilation hydrodynamique autour du moyeu d'extrémité 7 du disque d'entrée 4 de la roue de turbine 1. Une autre fonction de cet écran 17 est, grâce à un système de quatre broches de positionnement 19, d'empêcher la rotation du distributeur fixe 10 lors de la mise en fonctionnement de la turbine. Cette 15 rotation est également empêchée par des plots arqués 25 visibles sur la figure 5, qui sont bloqués dans des logements correspondants de la volute et de la virole 16. Enfin, une bague de fixation 20 et un autre système de vissage permettent de compléter l'assujettissement des parties fixes de la turbine sur son carter 18 par l'intermédiaire du couvercle 21 de celui-ci, lui-même vissé sur le carter. REVENDICATIONS 1. Turbine à gaz comprenant d'une part une roue de turbine de type radial et d'autre part un distributeur fixe alimenté par une volute et entourant ladite roue, 5 grâce auquel les gaz d'entrée provenant d'une chambre de combustion peuvent être amenés sur la périphérie de la roue avant de la traverser en direction centripète, caractérisée en ce que ladite roue (1) de turbine est constituée sous forme massive et est traversée, depuis des entrées de sa périphérie jusqu'à des sorties sensiblement axiales, par des premiers canaux (6) à au moins deux inclinaisons pour lesdits gaz, à 10 savoir des canaux possédant par rapport à la direction radiale au moins une première inclinaison dans le sens de rotation de la roue (1), et au moins une seconde inclinaison par rapport à la direction axiale, les dirigeant depuis la périphérie vers le centre de la roue (1). 2. Turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits 15 premiers canaux (6) de la roue (1) de turbine sont chemisés par un garnissage de matériau réfractaire du genre céramique. 3. Turbine à gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits premiers canaux (6) ont une forme conique, leur section allant en s'élargissant desdites entrées auxdites sorties. 4. Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits premiers canaux (6) comportent à leurs extrémités des inserts de protection (21, 22) en matériau réfractaire du genre céramique, maintenus en place par assemblages à concordance de formes dans l'extrémité correspondante du canal. 5. Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite roue (1) de turbine comporte au moins deux disques (4, 5) emboîtés et fixés l'un sur l'autre, à savoir au moins un disque d'entrée (4) et au moins un disque de sortie (5), et en ce que lesdits premiers canaux (6) comprennent chacun au moins un premier tronçon (6a) traversant le disque d'entrée (4) et au moins un 30 second tronçon (6b) traversant le disque de sortie (5), ces tronçons, à inclinaisons différentes, se raccordant l'un à l'autre à la surface de jonction (23) entre les disques. 6. Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les entrées desdits premiers canaux (6) sur la roue de turbine sont disposées en une série périphérique de S x N entrées, leurs sorties de la roue étant disposées selon S séries concentriques comprenant chacune N sorties. 7. Turbine à gaz selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'une entrée sur S, desdits premiers canaux (6), est reliée à une sortie d'une première série de N 5 sorties, l'entrée suivante à une sortie voisine d'une seconde série de N sorties etc, la Sième entrée suivante, du groupe de S entrées considéré, étant reliée à une sortie voisine de la Sè,me série de N sorties, l'entrée encore suivante ou première entrée du groupe suivant de S entrées étant reliée à une autre sortie voisine de ladite première série de N sorties, et ainsi de suite. 8. Turbine à gaz selon la revendication 7, caractérisée en ce que le nombre S est compris entre 2 et 5, et le nombre N est compris entre 9 et 15. 9. Turbine à gaz selon la revendication 8, caractérisée en ce que le nombre S est égal à 3 et le nombre N est égal à 11, le nombre total desdits premiers canaux dans la roue de turbine étant donc de 33. 10. Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le distributeur fixe (10) entourant la roue (1) de turbine est constitué d'une couronne massive traversée de seconds canaux (11) pour les gaz d'entrée, ces seconds canaux étant inclinés chacun sur le rayon correspondant de la couronne (10), dans le sens prévu pour la rotation de ladite roue (1). 11. Turbine à gaz selon la revendication 10, caractérisée en ce que lesdits seconds canaux (11) du distributeur (10) sont constitués par des trous coniques dont la section se rétrécit de leurs entrées vers leurs sorties. 12. Turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le distributeur fixe (10) entourant la roue (1) de turbine est 25 constitué d'une série d'aubes fixes inclinées sur la direction radiale correspondante de la roue, dans le sens prévu pour la rotation de cette dernière.