Brevet FR2858651A1 — publié le 20050211

Circuit de refroidissement dans une aube de turbine et Circuitd de refroidissement dans une aube de turbine et procédé de refroidissement d'une aube de turbine La présente invention concerne un circuit de refroidissement dans une aube de turbine, et plus particulièrement, un circuit de refroidissement à l'intérieur d'une aube de turbine qui permet un refroidissement optimal de l'aube tout en préservant l'intégrité du système et les objectifs de durée de vie. Les configurations de turbines récentes sont des turbines à gaz à haute 10 puissance et à haut rendement qui utilisent un refroidissement à la vapeur ou à air à l'intérieur de plusieurs des composants du parcours des gaz chauds. Cette construction pose de nouveaux problèmes à l'intérieur des organes du stator, en ce qui concerne la façon d'utiliser efficacement les propriétés de refroidissement améliorées à la vapeur ou par air tout en conservant les 15 pressions et températures élevées à l'intérieur de la structure et en résistant à l'environnement du parcours des gaz chauds. La température des métaux de base, la montée de la température de vapeur, la pression de vapeur, le débit et la géométrie sont quelques-uns des paramètres à prendre en compte pour assurer une durée de vie des composants qui satisfasse aux objectifs du cahier 20 des charges. Dans un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple, on propose un circuit de refroidissement en boucle fermée à l'intérieur d'une aube de turbine, l'aube de turbine comportant une première, une deuxième et une troisième cavités, une bande extérieure et une bande intérieure. Le circuit de 25 refroidissement comporte un orifice d'entrée qui reçoit un écoulement d'agent de refroidissement, et un premier insert de conduit placé dans la deuxième cavité. Le premier insert de conduit reçoit l'écoulement d'agent de refroidissement par l'orifice d'entrée et conduit l'écoulement d'agent de refroidissement jusqu'à une partie inférieure de la deuxième cavité. Un insert 30 d'impact est placé dans la première cavité qui reçoit l'écoulement d'agent de refroidissement provenant du premier insert de conduit. Une première plaque d'impact est placée dans la bande extérieure définissant un parcours de refroidissement de bande extérieure à l'intérieur de la bande extérieure. Le parcours de refroidissement de bande extérieure reçoit l'écoulement d'agent de refroidissement provenant de la première cavité. Un parcours de refroidissement de deuxième cavité est défini entre le premier insert de conduit et une deuxième paroi de cavité, le parcours de 5 refroidissement de deuxième cavité recevant l'écoulement d'agent de refroidissement qui provient du parcours de refroidissement de bande extérieure. Une deuxième plaque d'impact est placée dans la bande intérieure et définit un parcours de refroidissement de bande intérieure à l'intérieur de la bande intérieure. Le parcours de refroidissement de bande intérieure reçoit 10 l'écoulement d'agent de refroidissement provenant du parcours de refroidissement de deuxième cavité. Enfin, un deuxième insert de conduit est placé dans la troisième cavité et définit un parcours de refroidissement de troisième cavité entre le deuxième insert de conduit et une troisième paroi de cavité. Le parcours de refroidissement de troisième cavité reçoit l'écoulement 15 d'agent de refroidissement provenant du parcours de refroidissement de bande intérieure. Dans un autre mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple, on propose un circuit de refroidissement à l'intérieur d'une aube de turbine, l'aube de turbine comportant une première, une deuxième et une 20 troisième cavités, une bande extérieure et une bande intérieure. Le circuit de refroidissement comporte un orifice d'entrée qui reçoit un écoulement d'agent de refroidissement, et un premier insert de conduit placé dans la deuxième cavité. Le premier insert de conduit reçoit l'écoulement d'agent de refroidissement par l'orifice d'entrée. Une connexion coudée reçoit 25 l'écoulement d'agent de refroidissement par le premier insert de conduit et guide l'écoulement d'agent de refroidissement vers la première cavité. Un insert d'impact est placé dans la première cavité, lequel insert d'impact reçoit l'écoulement d'agent de refroidissement par la connexion coudée. Une première plaque d'impact est placée dans la bande extérieure et définit un 30 parcours de refroidissement de bande extérieure à l'intérieur de la bande extérieure. Le parcours de refroidissement de bande extérieure se termine dans une fente de communication voisine de la deuxième cavité, où l'écoulement d'agent de refroidissement passe dans la fente de communication via le parcours de refroidissement de bande extérieure. Un parcours de refroidissement de deuxième cavité est défini entre le premier insert de conduit et une deuxième paroi de cavité, lequel parcours de refroidissement de deuxième cavité reçoit l'écoulement d'agent de refroidissement par la fente de communication. Une deuxième plaque d'impact 5 est placée dans la bande intérieure et définit un parcours de refroidissement de bande intérieure à l'intérieur de la bande intérieure. Le parcours de refroidissement de bande intérieure se termine dans une entrée de troisième cavité, où l'écoulement d'agent de refroidissement passe par l'entrée de troisième cavité via le parcours de refroidissement de bande intérieure. Enfin, 10 un deuxième insert de conduit est placé dans la troisième cavité définissant un parcours de refroidissement de troisième cavité entre le deuxième insert de conduit et une troisième paroi de cavité. Le parcours de refroidissement de troisième cavité reçoit l'écoulement d'agent de refroidissement par l'entrée de troisième cavité. Dans encore un autre mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple, un procédé de refroidissement d'une aube de turbine au moyen d'un circuit de refroidissement comprend les étapes consistant à conduire un écoulement d'agent de refroidissement jusqu'à une partie inférieure de la deuxième cavité via un premier insert de conduit et à guider l'écoulement 20 d'agent de refroidissement vers la première cavité, refroidir par impact la première cavité avec l'écoulement d'agent de refroidissement, définir un parcours de refroidissement de bande extérieure dans la bande extérieure, et refroidir par impact la bande extérieure avec l'écoulement d'agent de refroidissement, définir un parcours de refroidissement de deuxième cavité 25 dans la deuxième cavité entre le premier insert de conduit et une deuxième paroi de cavité, et refroidir par conduit la deuxième cavité avec l'écoulement d'agent de refroidissement, définir un parcours de refroidissement de bande intérieure dans la bande intérieure, et refroidir par impact la bande intérieure avec l'écoulement d'agent de refroidissement, et définir un parcours de 30 refroidissement de troisième cavité dans la troisième cavité entre un deuxième insert de conduit et une troisième paroi de cavité, puis refroidir par conduit la troisième cavité avec l'écoulement d'agent de refroidissement. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale montrant le circuit de 5 refroidissement et la structure intérieure d'une aube de turbine de la présente invention; la figure 2 est une vue agrandie du circuit de refroidissement montrant des fentes de communication et des trous de dérivation sur la bande extérieure; et la figure 3 est une vue agrandie de la région de post-impact de la dérivation et des entrées de la paroi latérale intérieure à la troisième cavité. La figure 1 est une vue en coupe d'une aube 10 de turbine, montrant le circuit de refroidissement à la vapeur 12 de la présente invention. Bien que l'invention soit décrite dans le contexte d'un circuit de refroidissement à la 15 vapeur, les personnes ayant une connaissance ordinaire du métier apprécieront le fait que le circuit est capable de fonctionner aussi bien avec de la vapeur qu'avec de l'air comme agent de refroidissement. La structure interne de l'aube de turbine comprend une première cavité 14, appelée cavité une, une deuxième cavité 16, appelée cavité deux, et une 20 troisième cavité 18, appelée cavité trois. L'aube 10 comprend également une bande extérieure 20 et une bande intérieure 22. Le circuit de refroidissement 12 de la présente invention assure le refroidissement des première, deuxième et troisième cavités, ainsi que des bandes intérieure et extérieure, pour aider à augmenter le rendement de la turbine. De préférence, le circuit de refroidissement 12 est un circuit de refroidissement en boucle fermée pour une meilleure efficacité du refroidissement. Un insert de conduit 24 est placé dans la cavité deux 16 et reçoit l'écoulement d'agent de refroidissement par un orifice d'entrée 26. De 30 préférence, une connexion de type manchette ou similaire est réalisée du bas du couvercle de la cavité au sommet de l'insert 24. La vapeur, désignée par la flèche 1, est conduite au fond de la cavité deux 16 par l'insert de conduit 24. Une connexion coudée 28 reçoit l'écoulement d'agent de refroidissement en provenance de l'insert de conduit 24 et guide l'écoulement d'agent de refroidissement vers la cavité une 14. Un insert d'impact 30 est placé dans la cavité une 14 et reçoit l'écoulement d'agent de refroidissement provenant de la connexion coudée 28. Comme montré sur la figure 1, l'insert d'impact 30 comporte des ouvertures le long de la cavité une 14 (en vis-à-vis de l'insert de 5 conduit 24) pour effectuer un refroidissement par impact de la cavité une 14. Le parcours de l'écoulement d'agent de refroidissement dans la cavité une 14 après passage par l'insert d'impact 30 est montré par la flèche 2. La vapeur usée progresse jusqu'au dos de l'insert d'impact 30 puis monte par un trou percé jusqu'à une région de pré-impact 34 de bande extérieure (voir figure 2). 10 En continuant avec les figures 1 et 2, une plaque d'impact 32 est placée dans la bande extérieure 20 et définit un parcours de refroidissement de bande extérieure à l'intérieur de la bande extérieure. La plaque d'impact 32 divise la bande extérieure en une région de pré-impact 34 et une région de post-impact 36. Le parcours de refroidissement de bande extérieure se termine 15 dans une fente de communication 38 voisine de la cavité deux 16. Comme représenté par la flèche 3, la vapeur traverse toute la bande extérieure 20 dans la région de pré-impact 34 et l'impact refroidit la bande extérieure au moyen de la plaque d'impact 32. La vapeur passe ensuite par la fente de communication 38 et les trous de dérivation 39 pour rejoindre un trajet de 20 refroidissement de cavité deux dans la cavité deux 16 entre l'insert de conduit 24 et une paroi de la cavité deux. Voir la flèche 4. Le trajet de refroidissement de la cavité deux reçoit l'écoulement de vapeur par la fente de communication 38. La vapeur circulant dans le trajet de refroidissement de cavité deux refroidit la cavité deux 16 par refroidissement de conduit. On fait passer 25 essentiellement de force la vapeur vers le bas le long du côté extérieur de l'insert de conduit 24 dans la cavité deux 16 afin d'accroître la vitesse et l'efficacité du refroidissement. Si l'on se réfère à présent aux figures 1 et 3, une plaque d'impact 40 de bande intérieure est placée dans la bande intérieure 22 et définit un parcours 30 de refroidissement de bande intérieure à l'intérieur de la bande intérieure. Comme la bande extérieure 20, la bande intérieure comprend une région de pré-impact 42 et une région de post-impact 44. Le parcours de refroidissement de bande intérieure se termine dans une entrée ou un trou de dérivation 46 de la cavité trois. La vapeur traverse toute la bande intérieure 22 dans la région de pré-impact 42 puis l'impact refroidit la région de post-impact 44 de bande extérieure au moyen de la plaque d'impact 40. Voir la flèche 5. La vapeur passe ensuite par le trou d'entrée 46 de la cavité trois. Un insert de conduit plein 48 est placé dans la cavité trois 18 et définit 5 un parcours de refroidissement de cavité trois entre l'insert de conduit 48 et une paroi de la cavité trois 18. La vapeur se déplace dans le parcours de refroidissement de cavité trois, comme représenté par la flèche 6, pour refroidir par conduit la cavité trois 18. Ensuite, la vapeur sort à travers une bride de sortie 50 au sommet de la cavité trois 18 pour rejoindre une tubulure 10 extérieure. Le refroidissement à la vapeur dans l'aube de turbine aide à augmenter le rendement de la turbine jusqu'à plus de 60 % dans un mode de cycle combiné. En utilisant de la vapeur comme agent principal de refroidissement, des températures d'écoulement bien plus élevées peuvent être tolérées par le 15 métal de base grâce à l'efficacité accrue du refroidissement. Le circuit de refroidissement de la présente invention maintient de préférence la vapeur à l'intérieur de la structure de l'aube tout en tirant profit au maximum de la vapeur pour le refroidissement. Comme déjà indiqué, bien que la vapeur soit l'agent de refroidissement préféré, le circuit de refroidissement de l'invention 20 est capable d'utiliser de l'air comme agent de refroidissement. Bien que l'invention ait été décrite en connexion avec ce qui est actuellement considéré comme constituant les modes de réalisation préférés et les plus pratiques, il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à ces modes de réalisation. LISTE DE PIÈCES Aube de turbine 10 Circuit de refroidissement à la vapeur 12 5 Cavité une 14 Cavité deux 16 Cavité trois 18 Bande extérieure 20 Bande intérieure 22 Insert de conduit 24 Orifice d'entrée 26 Connexion coudée 28 Insert d'impact 30 Plaque d'impact 32 Région de pré-impact 34 Région de post-impact 36 Fente de communication 38 Trous de dérivation 39 Plaque d'impact 40 Région de pré-impact 42 Région de post-impact 44 Trou de dérivation 46 Insert de conduit plein 48 Bride de sortie 50 REVENDICATIONS 1. Circuit de refroidissement en boucle fermée à l'intérieur d'une aube de turbine comportant une première cavité (14), une deuxième cavité (16) et une troisième cavité (18), une bande extérieure (20) et une bande intérieure (22), caractérisé en ce qu'il comprend: un orifice d'entrée (26) recevant un écoulement d'agent de refroidissement; un premier insert de conduit (24) placé dans la deuxième cavité, le premier insert de conduit recevant l'écoulement d'agent de refroidissement 10 par l'orifice d'entrée et conduisant l'écoulement d'agent de refroidissement jusqu'à une partie inférieure de la deuxième cavité; un insert d'impact (30) placé dans la première cavité et recevant l'écoulement d'agent de refroidissement provenant du premier insert de conduit; une première plaque d'impact (32) placée dans la bande extérieure et définissant un parcours de refroidissement de bande extérieure à l'intérieur de la bande extérieure, le parcours de refroidissement de bande extérieure recevant l'écoulement d'agent de refroidissement provenant de la première cavité; dans lequel un parcours de refroidissement de deuxième cavité est défini entre le premier insert de conduit et une deuxième paroi de cavité, le parcours de refroidissement de deuxième cavité recevant l'écoulement d'agent de refroidissement qui provient du parcours de refroidissement de bande extérieure; dans lequel une deuxième plaque d'impact (40) est placée dans la bande intérieure et définit un parcours de refroidissement de bande intérieure à l'intérieur de la bande intérieure, le parcours de refroidissement de bande intérieure recevant l'écoulement d'agent de refroidissement provenant du parcours de refroidissement de deuxième cavité ; et dans lequel un deuxième insert de conduit (48) est placé dans la troisième cavité et définit un parcours de refroidissement de troisième cavité entre le deuxième insert de conduit et une troisième paroi de cavité, le parcours de refroidissement de troisième cavité recevant l'écoulement d'agent de refroidissement provenant du parcours de refroidissement de bande intérieure. 2. Circuit de refroidissement en boucle fermée selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une connexion coudée (28) 5 placée entre le premier insert de conduit (24) et la première cavité (14), la connexion coudée guidant l'écoulement d'agent de refroidissement du premier insert de conduit à l'insert d'impact (30). 3. Circuit de refroidissement en boucle fermée selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une bride de sortie (50) placée en 10 une extrémité du parcours de refroidissement de troisième cavité, l'écoulement d'agent de refroidissement sortant de l'aube (10) de turbine par la bride de sortie. 4. Circuit de refroidissement en boucle fermée selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent de refroidissement est de la vapeur. 5. Circuit de refroidissement en boucle fermée selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent de refroidissement est de l'air. 6. Procédé de refroidissement d'une aube de turbine au moyen d'un circuit de refroidissement, l'aube de turbine comportant une première cavité (14), une deuxième cavité (16) et une troisième cavité (18), une bande 20 extérieure (20) et une bande intérieure (22), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: conduire un écoulement d'agent de refroidissement jusqu'à une partie inférieure de la deuxième cavité via un premier insert de conduit (24) et guider l'écoulement d'agent de refroidissement vers la première cavité; refroidir par impact la première cavité avec l'écoulement d'agent de refroidissement; définir un parcours de refroidissement de bande extérieure dans la bande extérieure, et refroidir par impact la bande extérieure avec l'écoulement d'agent de refroidissement; définir un parcours de refroidissement de deuxième cavité dans la deuxième cavité entre le premier insert de conduit et une deuxième paroi de cavité, et refroidir par conduit la deuxième cavité avec l'écoulement d'agent de refroidissement; définir un parcours de refroidissement de bande intérieure dans la bande intérieure, et refroidir par impact la bande intérieure avec l'écoulement d'agent de refroidissement; et définir un parcours de refroidissement de troisième cavité dans la 5 troisième cavité entre un deuxième insert de conduit (48) et une troisième paroi de cavité, puis refroidir par conduit la troisième cavité avec l'écoulement d'agent de refroidissement.