Brevet FR2931884A1 — publié le 20091204

B09-1384FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Ejecteur à faible bruit pour une turbomachine Invention de : SCHOTT Cari Gerard KINZIE Kevin Wayne Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 29 mai 2008 sous le n° 12/129.280 Ejecteur à faible bruit pour une turbomachine La présente invention concerne la technique des éjecteurs et plus particulièrement, un éjecteur à faible bruit pour une turbomachine. Au moins certains éjecteurs connus mélangent deux courants d'écoulement, un courant primaire ou moteur à haute pression et un courant secondaire ou d'aspiration à basse pression, afin de produire un écoulement d'évacuation avec une pression intermédiaire entre celles des deux écoulements d'entrée ou inférieure à celles-ci. Les buses de l'éjecteur facilitent ce processus de mélange en accélérant l'écoulement moteur à haute pression, créant un jet à grande vitesse. Le jet à grande vitesse est canalisé à travers un tube ou chambre de mélange afin d'entraîner l'écoulement d'aspiration à basse pression. Les deux écoulements mélangés sont ensuite évacués, typiquement à travers un diffuseur. L'écoulement moteur est étranglé pour s'adapter à la sortie de l'éjecteur d'une turbine fonctionnant dans des conditions de charge hors conception et/ou ambiantes. Les dispositifs d'étranglement existants maintiennent constant le diamètre de jet à grande vitesse à mesure que diminue la sortie. Dans ce dispositif, l'écoulement est réduit en diminuant la vitesse effective de l'écoulement moteur. La réduction de la vitesse de l'écoulement moteur dans une condition étranglée empêche l'entraînement de l'éjecteur et limite ainsi la plage d'étranglement globale et elle dégrade les performances d'entraînement. Selon un exemple de mode de réalisation de l'invention, une turbomachine comporte un compresseur et un éjecteur. L'éjecteur comporte au moins une buse ayant une première partie d'extrémité s'étendant jusqu'à une deuxième partie d'extrémité définissant une région d'écoulement. La deuxième partie d'extrémité comporte une sortie variable pour contrôler l'écoulement d'air provenant du compresseur. Selon un autre exemple de mode de réalisation de l'invention, un éjecteur pour une turbomachine comporte au moins une buse ayant une première partie d'extrémité s'étendant jusqu'à une deuxième partie d'extrémité définissant une région d'écoulement. La deuxième partie d'extrémité comporte une sortie variable configurée pour régler l'écoulement d'air provenant d'un compresseur. Selon encore un autre exemple de mode de réalisation de l'invention, un procédé de réglage d'un écoulement d'air à travers un éjecteur pour une turbomachine comporte la génération d'un écoulement d'air dans une partie de compresseur de la turbomachine, le guidage de l'écoulement d'air jusqu'à un éjecteur, le passage de l'écoulement d'air vers une buse de l'éjecteur et le passage de l'écoulement d'air à travers une partie de sortie variable de la buse. Des caractéristiques et avantages supplémentaires sont obtenus par les techniques des exemples de mode de réalisation de la présente invention. D'autres modes de réalisation et aspects de l'invention sont ici décrits en détail et sont considérés comme une partie de l'invention revendiquée. Pour mieux comprendre l'invention avec ses avantages et caractéristiques, on se réfère à la description et aux dessins : - la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à turbine à gaz comportant un éjecteur à faible bruit incluant une buse comportant un orifice sélectivement variable selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique partielle d'une buse comportant un orifice sélectivement variable selon un exemple de mode de réalisation de l'invention illustrant l'orifice sélectivement variable dans une première configuration ; - la figure 3 est une représentation schématique partielle de la buse de la figure 2 illustrant l'orifice sélectivement variable dans une deuxième configuration ; - la figure 4 est une représentation schématique partielle d'une buse comportant un orifice sélectivement variable selon un autre exemple de mode de réalisation de l'invention illustrant l'orifice sélectivement variable dans une première configuration ; et - la figure 5 est une représentation schématique partielle de la buse de la figure 4 illustrant l'orifice sélectivement variable dans une deuxième configuration. En référence initiale à la figure 1, une turbomachine, représentée sous la forme d'un moteur à turbine à gaz construit selon un exemple de mode de réalisation de l'invention, est indiqué de façon générale en 2. Le moteur à turbine 2 comporte un compresseur 4 ayant une pluralité d'étages de compresseur, quatre d'entre eux étant indiqués par 6 à 9. Le compresseur 4 est raccordé fonctionnellement à une turbine 12 par l'intermédiaire d'un arbre 14. La turbine 12 comporte une pluralité d'étages de turbine, trois d'entre eux étant indiqués par 17 à 19. La turbine 2 comporte également un système de refroidissement 30 qui dirige un écoulement d'air de refroidissement du compresseur 4 à la turbine 12. C'est-à-dire que de l'air de refroidissement est extrait de divers étages parmi les étages 6 à 9 et transmis à des étages correspondants parmi les étages 17 à 19 de la turbine 12. À cet effet, le système de refroidissement 30 comporte un premier circuit de refroidissement 40 qui raccorde mutuellement l'étage de compresseur 7 avec l'étage de turbine 19. Dans le mode de réalisation représenté, l'étage de compresseur 7 est un étage à pression moyenne qui est raccordé à un étage correspondant à pression moyenne 19 de la turbine 12. Le système de refroidissement 30 comporte également un deuxième circuit de refroidissement 44 raccordant mutuellement l'étage de compresseur 8 avec l'étage de turbine 18. L'étage de compresseur 8 est à une pression supérieure à celle de l'étage 7 et ainsi il est raccordé à l'étage 18 qui, de même, est à une pression supérieure à celle de l'étage 17. De plus, le système de refroidissement 30 est représenté incluant un circuit de dérivation 47 comportant un clapet de dérivation 48 actionné de manière sélective pour maintenir la pression interne dans le moteur à turbine 2. Pour utiliser aussi peu que possible d'air à haute pression du compresseur 4, un deuxième circuit de refroidissement 44 est muni d'un éjecteur 55 relié fonctionnellement au premier circuit de refroidissement 40 par l'intermédiaire d'un circuit connecteur 58. Avec cet agencement, un écoulement d'air primaire ou moteur à haute pression traversant l'éjecteur 55 tire une partie d'un écoulement d'air secondaire ou d'aspiration à plus basse pression provenant du premier circuit de refroidissement 58. L'écoulement d'air à haute pression et l'écoulement d'air à basse pression se mélangent en formant un écoulement d'air combiné dirigé à travers une buse primaire ou motrice 60 située dans l'éjecteur 55. La buse motrice 60 accélère le fluide à haute pression jusqu'à une vitesse supérieure afin de correspondre sensiblement à la pression et à la vitesse du fluide par exemple dans l'étage de turbine 18. Toutefois, lorsque la pression dans l'étage de turbine 18 varie sur la plage de fonctionnement de la turbine 12, l'éjecteur 55, comme il va être expliqué plus complètement ci-dessous, est réglable de manière sélective pour régler les pressions dans le deuxième circuit de refroidissement 44 pour correspondre aux pressions dans l'étage de turbine 18 sur une large plage de fonctionnement de la turbine 12. I1 va maintenant être fait référence aux figures 2 et 3 pour décrire la buse motrice 60 construite selon un premier exemple de mode de réalisation de l'invention. Comme représenté, la buse motrice 60 comporte une première partie d'extrémité 70 s'étendant jusqu'à une deuxième partie d'extrémité 71 à travers une partie intermédiaire 72 définissant une région d'écoulement 75. Comme il va être expliqué plus complètement ci-dessous, la deuxième partie d'extrémité 71 comporte une sortie variable 78. Selon l'exemple de mode de réalisation, la sortie variable 78 est définie partiellement par un chevron 79 agencé au niveau de la deuxième partie d'extrémité 71. Le chevron 79 est conçu pour diminuer le bruit global sortant de l'éjecteur 55. Le chevron 79 est configuré de manière à s'étendre vers une ligne centrale (qui n'est pas marquée séparément) de l'éjecteur 55 pour régler l'écoulement d'air. Le chevron 79 définit une première dimension 85 pour la sortie variable 78. En outre, selon l'exemple de mode de réalisation représenté, l'éjecteur 55 comporte une buse motrice secondaire 88 agencée dans la buse motrice 60. La buse motrice secondaire 88 est raccordée fonctionnellement à un arbre d'actionnement 91 par l'intermédiaire d'une pluralité d'entretoises, l'une d'entre elles étant indiquée en 93. Comme il va être expliqué plus complètement ci-dessous, l'arbre d'actionnement 91 est actionné de manière sélective pour déplacer la buse motrice secondaire 88 dans la région d'écoulement 75 pour régler la sortie globale de l'éjecteur 55. À cet effet, la buse secondaire 88 comporte une première partie d'extrémité 97 s'étendant jusqu'à une deuxième partie d'extrémité 98 à travers une partie intermédiaire 99. La partie intermédiaire 99 définit un chevron secondaire 104 définissant de manière correspondante une deuxième dimension 107 pour la sortie variable 78. Avec cet agencement, durant le fonctionnement de charge de base de la turbine 2, la buse motrice secondaire 88 est déplacée jusqu'à une première configuration comme indiqué sur la figure 2 dans laquelle l'air traversant la région d'écoulement 75 traverse la sortie variable 78 configurée à une première dimension 85. Toutefois, durant le fonctionnement hors charge de base ou lorsque les températures de l'air ambiant sont à l'extérieur des paramètres de conception, la buse motrice secondaire 88 est décalée vers une deuxième configuration comme indiqué sur la figure 3, où l'écoulement d'air s'écoulant à travers la région d'écoulement 75 est guidé à travers la sortie variable 78 configurée avec la deuxième dimension 107. De façon plus spécifique, dans la deuxième configuration illustrée sur la figure 3, le chevron secondaire 104 vient en butée contre le chevron 79 fermant ou rétrécissant la sortie variable 78. Naturellement, en fonction de la vitesse de fonctionnement particulière et/ou des conditions de l'air ambiant, la buse motrice secondaire 88 peut être déplacée dans une quelconque parmi une pluralité de positions intermédiaires (non représentées) pour créer un nombre quelconque de dimensions intermédiaires de la sortie variable 78 afin de produire une pression/vitesse d'écoulement d'air désirée pour fournir de l'air de refroidissement à l'étage de turbine 18. Avec cet agencement, l'éjecteur 55 peut être configuré de manière sélective afin de produire une large plage de pressions/volumes de façon à correspondre aux pressions de fonctionnement dans un étage de turbine d'un bout à l'autre d'une large plage de fonctionnement de la turbine 2. I1 va maintenant être fait référence aux figures 4 et 5 pour décrire une buse motrice 120 construite selon un autre exemple de mode de réalisation de l'invention. Comme représenté, la buse 120 comporte un tuyau moteur 124 ayant une première partie d'extrémité 128 s'étendant jusqu'à une deuxième partie d'extrémité 129 à travers une partie intermédiaire 130 afin de définir une région d'écoulement 132. D'une manière similaire à celle décrite ci-dessus, la deuxième partie d'extrémité 129 comporte une sortie variable 132. La buse 120 comporte en outre une pluralité de chevrons, l'un d'entre eux étant indiqué en 136 qui, comme il va être expliqué plus complètement ci-dessous, définit une géométrie ou dimension de sortie pour la sortie variable 132. D'une manière également similaire à celle décrite ci-dessus, les chevrons 136 s'étendent vers une ligne centrale (qui n'est pas marquée séparément) de l'éjecteur 55 afin de minimiser le bruit sortant pendant le fonctionnement de la turbine. Dans le mode de réalisation représenté, chaque chevron 136 comporte une première section d'extrémité 138 s'étendant jusqu'à une deuxième section d'extrémité 139 à travers une section intermédiaire 140. Selon l'exemple de mode de réalisation représenté, chaque chevron 136 est monté de manière pivotante sur le tuyau moteur 124 et ainsi comporte une articulation 142. Comme il va être expliqué plus complètement ci- dessous, les chevrons 136 peuvent pivoter de manière sélective entre une première position, illustrée sur la figure 4 et une deuxième position, indiquée sur la figure 5. Pour contrôler le mouvement sélectif des chevrons 136, la buse 120 est munie d'un collier de chevron 154 monté de manière coulissante sur le tuyau moteur 124. Le collier de chevron 154 comporte une première extrémité 157 s'étendant jusqu'à une deuxième extrémité 158. La deuxième extrémité 158 est raccordée fonctionnellement à la première section d'extrémité 138 de la pluralité de chevrons 136. La première section d'extrémité 157 est raccordée fonctionnellement à une tige d'actionnement 161 pouvant être décalée de façon sélective pour déplacer ou positionner les chevrons 136 entre la première position illustrée sur la figure 4 et la deuxième position illustrée sur la figure 5. Durant le fonctionnement normal ou de charge de base de la turbine 2, la tige d'actionnement 161 est décalée de façon que le collier de chevron 154 déplace les chevrons 136 jusqu'à la première configuration illustrée sur la figure 4 créant une partie de sortie ou orifice 165 ayant une première dimension 166. De cette manière, un écoulement d'air suffisant traverse la région d'écoulement 132 dans l'étage de compresseur 18. Durant les opérations hors charge de base ou lorsque les températures ambiantes sont extérieures aux paramètres de conception, la tige d'actionnement 161 agit contre le collier de chevron 154 pour fermer les chevrons 136 décalant l'orifice 165 jusqu'à une deuxième dimension 169 plus petite que la première dimension 166. De cette manière, l'air de refroidissement avec un volume suffisant et une température suffisante est transmis à l'étage de turbine 18 pour prendre en compte le fonctionnement hors charge de base. À ce moment, on comprendra que l'éjecteur 55 fournit une sortie d'écoulement d'air sélectivement variable permettant ainsi d'adapter l'écoulement du circuit de refroidissement aux conditions de pression dans la section de turbine d'un moteur à turbine sur de larges plages de fonctionnement. C'est-à-dire que l'éjecteur selon l'exemple de mode de réalisation de l'invention s'accorde mieux sur une plus large plage de façon à permettre une maîtrise supplémentaire à des températures plus chaudes et des réglages supplémentaires fournissant l'air de refroidissement d'un bout à l'autre d'une plage de fonctionnement plus large. On comprendra également que la sortie variable peut être formée en utilisant une diversité de structures différentes. Liste des repères 2. Moteur à turbine à gaz 4. Compresseur 6. Étages de 7. Étages de 8. Étages de 9. Étages de 12. Turbine 14. Arbre 17. Étages de 18. Étages de 19. Étages de 30. 41. 44. 47. 48. 55. 58. 60. 70. 71. 72. 75. 78. 79. 82. 88. 91. 93. 97. 98. compresseur compresseur compresseur compresseur turbine turbine turbine Système de refroidissement Premier circuit de refroidissement Deuxième circuit de refroidissement Circuit de dérivation Clapet de dérivation Éjecteur Circuit connecteur Buse Première partie d'extrémité (60) Deuxième partie d'extrémité (60) Partie intermédiaire (60) Région d'écoulement Sortie variable Chevron Orifice de sortie Buse secondaire Arbre d'actionnement Entretoises Première extrémité (88) Deuxième extrémité (88) 99. Partie intermédiaire (88) 104. Chevron secondaire 107. Sortie/orifice secondaire 120. Buse 124. Tuyau moteur 128. Première partie d'extrémité (124) 129. Deuxième partie d'extrémité (124) 130. Partie intermédiaire (124) 132. Région d'écoulement 133. Sortie variable 136. Chevrons 138. Première section d'extrémité (136) 139. Deuxième section d'extrémité (136) 140. Section intermédiaire 142. Articulation 154. Collier de chevron 157. Première extrémité (154) 158. Deuxième extrémité (154) 161. Tige d'actionnement 165. Orifice 166. Première dimension 169. Deuxième dimension REVENDICATIONS1. Turbomachine (2) comprenant : un compresseur (4) ; et un éjecteur (55) relié de manière fluide au compresseur (4), l'éjecteur (55) comportant au moins une buse ayant une première partie d'extrémité (70) s'étendant jusqu'à une deuxième partie d'extrémité (71, 129) définissant une région d'écoulement (75), la deuxième partie d'extrémité (71, 129) comportant une sortie variable (78; 132) pour régler l'écoulement d'air provenant du compresseur (4). 2. Turbomachine (2) selon la revendication 1, dans laquelle la buse comporte une première buse (60) et une deuxième buse (88), la deuxième buse étant disposée de manière coulissante avec la première buse (60). 3. Turbomachine (2) selon la revendication 2, dans laquelle la première buse (60) comporte une première partie de chevron (79) définissant une première dimension pour la sortie variable (78) et la deuxième buse (88) comporte une deuxième partie de chevron (104) définissant une deuxième dimension pour la sortie variable (78), la deuxième dimension étant distincte de la première dimension, la deuxième buse (88) pouvant être décalée entre une première position, dans laquelle l'écoulement d'air du compresseur (4) traverse la sortie variable (78) configurée à la première dimension, jusqu'à une deuxième position, dans laquelle l'écoulement d'air provenant du compresseur traverse la sortie variable configurée avec la deuxième dimension. 4. Turbomachine (2) selon la revendication 1, dans laquelle la sortie variable (132) est définie par une pluralité de chevrons (136), chaque chevron de la pluralité de chevrons (136) étant raccordé de manière pivotante à la deuxième extrémité (129) de la buse. 5. Turbomachine (2) selon la revendication 4, comprenant en outre : un collier de chevron (154) raccordé fonctionnellement à chaque chevron de la pluralité de chevrons (136). 6. Turbomachine (2) selon la revendication 5, dans laquelle le collier de chevron (154) est monté de manière coulissante sur la buse. 7. Turbomachine (2) selon la revendication 5, comprenant en outre : une tige d'actionnement (161) raccordée fonctionnellement au collier de chevron (154), la tige d'actionnement (161) étant adapté à décaler de manière sélective le collier de chevron (154) entre une première position dans laquelle la sortie variable (132) est configurée à la première dimension et une deuxième position, dans laquelle la sortie variable (132) est configurée à la deuxième dimension, la deuxième dimension étant distincte de la première dimension.