Brevet FR2929993A1 — publié le 20091016

B09-0871FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Fourreaux de refroidissement divergents pour chemises de chambres de combustion et procédé correspondant Invention de : KALEESWARAN Karthick RAO Ganesh Pejawar Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 11 avril 2008 sous le n° 12/081.167 Fourreaux de refroidissement divergents pour chemises de chambres de combustion et procédé correspondant La présente invention concerne de façon générale les turbomachines et, en particulier, le refroidissement de chemises de chambres de combustion de turbines à gaz. Les systèmes de combustion des turbines à gaz selon la technique antérieure emploient de multiples ensembles de chambres de combustion pour réaliser un fonctionnement fiable et efficace des turbines. Chaque ensemble de chambre de combustion comprend une chemise cylindrique, un système d'injection de combustible et une pièce de transition qui guide le flux des gaz chauds depuis la chambre de combustion jusqu'à l'entrée de la turbine. Généralement, une partie de l'air refoulé par le compresseur sert à refroidir la chemise de la chambre de combustion, puis est introduite dans la zone de réaction de la chambre de combustion pour y être mélangée avec le combustible et brûlée. Dans les systèmes comprenant des pièces de transition à refroidissement par impact, un manchon creux (également appelé ici "manchon de transition") entoure la pièce de transition, et la paroi du manchon est perforée de façon que l'air refoulé depuis le compresseur passe par les ouvertures de refroidissement présentes dans la paroi du manchon et frappent (et ainsi refroidissent) la pièce de transition. Cet air de refroidissement passe ensuite dans un volume annulaire entre le manchon et la pièce de transition. Ce "flux croisé" entre finalement dans un autre volume annulaire entre la chemise de la chambre de combustion et un manchon d'écoulement enveloppant (également appelé ici "manchon de chemise"). Le manchon de chemise est également pourvu de plusieurs rangées de trous de refroidissement sur son pourtour, la première rangée étant située au voisinage immédiat d'un rebord de montage où le manchon de chemise est réuni au manchon de transition. Même s'il y a un puissant flux croisé résultant du flux de refroidissement de la pièce de transition, l'effet négatif du flux croisé sur le flux de refroidissement par impact peut être fortement limité à l'aide de colliers ou de conduits de refroidissement, également appelés "fourreaux", qui sont insérés dans les trous de refroidissement du manchon de chemise de la chambre de combustion, trous par lesquels passent les jets de refroidissement. Ces fourreaux assurent un blocage physique du flux croisé qui contraint le flux croisé à suivre le trajet d'écoulement voulu tout en assurant simultanément que les jets de refroidissement frappent efficacement la surface de la chemise de chambre de combustion à refroidir. Les fourreaux ou colliers sont de préférence montés dans chaque trou d'au moins la première rangée de trous à l'extrémité arrière du manchon de chemise, au voisinage immédiat d'un rebord de montage où sont réunies la chemise de chambre de combustion et la pièce de transition. Cet agencement réduit l'intervalle entre les orifices d'injection et la surface d'impact, il bloque le flux croisé qui dévie les jets et il amène le flux croisé à suivre le trajet d'écoulement souhaité pour les rangées de jets suivantes, il permet une réduction du diamètre des jets et il réduit de ce fait la quantité d'air de refroidissement, et il assure une maîtrise constante et précise du point d'impact des jets. I1 stabilise également l'oscillation axiale indésirable de la première rangée de jets et il empêche la formation d'une épaisse couche limite (et la réduction du transfert de chaleur qui en résulte) en amont de la première rangée de jets. L'utilisation de fourreaux décrite ci-dessus est expliquée dans le brevet des E.U.A. n° 6 484 505 cédé en commun. Cependant, on a encore besoin d'un refroidissement par impact encore plus efficace des chemises de chambres de combustion par des jets de refroidissement dirigés sur la surface de la chemise, mais sans créer de forts gradients thermiques le long de la chemise. Dans un exemple nullement limitatif de forme de réalisation, la géométrie du fourreau est modifiée de façon que les parois du fourreau divergent dans une direction allant de l'entrée du fourreau à la sortie du fourreau. Autrement dit, les fourreaux ont une forme tronconique de telle sorte que les jets de refroidissement s'étalent radialement vers l'extérieur lorsqu'ils s'écoulent vers la chemise de chambre de combustion en réalisant ainsi un refroidissement plus uniforme de la partie arrière de la chemise. Donc, selon un premier aspect, l'invention est relative à un système de refroidissement pour chemise de combustion de turbine, comprenant : une chemise de chambre de combustion ; un manchon d'écoulement entourant au moins une partie de la chemise de chambre de combustion, un volume annulaire d'écoulement étant ménagé entre eux, le manchon d'écoulement ayant une pluralité de rangées de trous de refroidissement formés sur son pourtour pour diriger de l'air de refroidissement jusque dans le volume annulaire d'écoulement et vers la chemise de chambre de combustion ; au moins un fourreau étant installé dans un ou plusieurs, respectifs, des trous de refroidissement, chaque fourreau s'étendant dans une direction radiale vers la chemise de chambre de combustion et ayant une paroi périphérique divergente dans une direction d'écoulement de l'air de refroidissement. Selon un autre aspect, l'invention est relative à un procédé de refroidissement d'une chemise de chambre de combustion entourée par un manchon d'écoulement comprenant : la formation de plusieurs trous de refroidissement dans le manchon d'écoulement ; et l'installation de fourreaux dans au moins certains des trous de refroidissement, chacun des fourreaux ayant une paroi périphérique divergente dans la direction d'écoulement du fluide de refroidissement à travers les fourreaux vers la chemise de chambre de combustion. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe latérale simplifiée d'une pièce de transition de chambre de combustion selon la technique antérieure en arrière de la chemise de chambre de combustion ; - la figure 2 est une vue en perspective partielle mais plus détaillée d'une chemise de chambre de combustion et d'un manchon d'écoulement de chemise selon la technique antérieure, réunis à la pièce de transition ; - la figure 3 est un organigramme illustrant le refroidissement par impact de la chemise de chambre de combustion dans un agencement antérieur ; - la figure 4 est une vue partielle en perspective illustrant le refroidissement par impact à l'aide de fourreaux divergents selon un exemple nullement limitatif de forme de réalisation de l'invention ; et - la figure 5 est un détail agrandi pris sur la figure 4. En référence aux figures 1 et 2, une turbine à gaz habituelle comprend une pièce de transition 10 par laquelle les gaz de combustion chauds issus d'une chambre de combustion en amont, représentée par la chemise 12 de chambre de combustion (figure 2), sont amenés à passer jusqu'au premier étage d'une turbine multi-étagée constituant l'organe désigné par le repère 14. Le flux issu du compresseur de la turbine à gaz sort d'un diffuseur axial 16 et entre dans un carter de refoulement 18 de compresseur. Environ 50% de l'air refoulé par le compresseur passent par des ouvertures 20 ménagées le long et autour d'un manchon d'impact 22 de pièce de transition pour s'écouler dans une région ou un volume annulaire 24 entre la pièce de transition 10 et le manchon d'impact 22, radialement extérieur, de la pièce de transition. Les autres approximativement 50% du flux refoulé par le compresseur entrent dans les trous 34 du manchon d'écoulement et se mélangent à l'air venant de la pièce de transition à partir du volume annulaire 30 et se mélangent finalement avec le combustible pour turbine à gaz présent dans la chambre de combustion. La figure 2 illustre la liaison entre la pièce de transition 10 et le manchon d'écoulement 28 de chemise de chambre de combustion telle qu'elle devrait apparaître à l'extrême gauche sur la figure 1. En particulier, le manchon d'impact 22 de la pièce de transition 10 est reçu de manière télescopique dans un rebord de montage 26 à l'extrémité arrière du manchon d'écoulement 28 de la chambre de combustion, et la pièce de transition 10 reçoit elle aussi d'une manière télescopique la chemise 12 de chambre de combustion. Le manchon d'écoulement 28 de la chambre de combustion entoure la chemise 12 de chambre de combustion en créant entre eux un volume annulaire d'écoulement 30. On peut voir, d'après la flèche d'écoulement 32 de la figure 2, que le flux croisé d'air de refroidissement circulant dans le volume annulaire 24 continue à entrer dans le volume annulaire 30 dans une direction perpendiculaire à l'air de refroidissement par impact passant par les trous de refroidissement 34 (cf. flèche d'écoulement 36) ménagés sur le pourtour du manchon 28 de chemise (bien que trois rangées soient représentées sur la figure 2, le manchon de chemise peut comporter n'importe quel nombre de rangées de tels trous). Le flux de refroidissement par impact dans la première rangée de trous 34 du manchon de chemise (la rangée de trous la plus proche du rebord de montage 26) est en particulier sujet à une interruption par le flux croisé issu du volume annulaire 24. Le flux croisé frappe les jets de refroidissement de la première rangée à leur sortie des trous 34, en les infléchissant et en amoindrissant leur aptitude à frapper la chemise 12. En fonction des forces relatives du flux croisé et des jets, le flux des jets risque de ne pas même atteindre la surface de la chemise 12 de chambre de combustion. Comme les jets de refroidissement par impact ont une grande vitesse, il existe une zone caractéristique de faible pression statique en arrière des jets et près des trous d'entrée du manchon de chemise. Le flux croisé s'accélère vers la zone de basse pression, ce qui aboutit à un gradient de vitesse sur le manchon de chemise/le volume annulaire 30 de chemise. La faible vitesse et la couche limite épaissie qui en résulte près de la surface de la chemise ont une très faible efficacité de transfert de chaleur. Pour neutraliser l'effet négatif du flux croisé sur les jets de refroidissement, on a employé les fourreaux de refroidissement 36 représentés sur la figure 3. Ces fourreaux comportent des tubes 38 à section transversale circulaire, une collerette ou un rebord plat 40 étant soudé en haut de ceux-ci (ou faisant corps avec ceux-ci). Le tube ou la partie formant corps 38 de chaque fourreau 36 a été dotée d'un diamètre uniforme. Le flux de refroidissement refoulé par le compresseur est entré dans le volume annulaire de la pièce de transition, puis s'est écoulé jusque dans les fourreaux. Les fourreaux ont concentré les jets de refroidissement sur les points chauds de la chemise, aboutissant à une forte action de refroidissement par impact. Cependant, l'action de refroidissement par impact conduit à de forts gradients thermiques sur le pourtour de la chemise. Selon un exemple nullement limitatif de forme de réalisation de la présente invention, et en référence aux figures 4 et 5, un manchon d'écoulement 42 de chemise de chambre de combustion, entourant une chemise 44 de chambre de combustion, est muni de fourreaux modifiés 46 dont chacun a une paroi périphérique 48 qui diverge dans la direction de l'écoulement de façon que les jets de refroidissement s'étalent lorsqu'ils s'écoulent vers la surface de la chemise 44. Les dimensions des fourreaux 46 sont établies par l'intervalle entre la chemise et le manchon d'écoulement, la tolérance pour cette dimension, la vitesse acquise des jets et du flux croisé, les contraintes géométriques du fourreau et les besoins spécifiques en refroidissement de la turbine particulière. Cependant, les relations préférées comprennent l'intervalle de valeurs minimales à maximales du diamètre de la paroi divergente, de 1,2D à 2D, D étant le diamètre de base de la paroi périphérique. L'angle de divergence peut être n'importe quel angle jusqu'à environ 30 degrés. Les fourreaux 46 peuvent être faits de la même matière que le manchon d'écoulement 42. Un ou plusieurs fourreaux 46 peuvent être présents sur une seule ou plusieurs rangées (en quinconce ou alignées) de trous de refroidissement à espacement axial, mais pas forcément dans chaque trou de chaque rangée. Certaines rangées pourraient avoir uniquement des fourreaux divergents 46 alors que d'autres rangées pourraient n'avoir que des fourreaux rectilignes 36, tandis qu'encore d'autres rangées pourraient avoir une combinaison des deux types de fourreaux. Dans tous les cas, les fourreaux sont de préférence soudés au niveau de la collerette ou du rebord 40 ou 50, respectivement sur l'extérieur du manchon 28 ou 42 de chemise. La section transversale de la paroi périphérique tubulaire 48 représentée est circulaire, mais on pourrait utiliser d'autres formes de sections transversales, par exemple une forme carrée, triangulaire, une forme d'aubage profilé, une forme semi-circulaire et autre, dans la mesure où il y a divergence dans la direction d'écoulement. Le type de fourreau à divergence ou étalement sert à refroidir la partie arrière de la chemise d'une façon efficace en orientant et en étalant le jet vers la chemise d'une manière qui ne produit pas de gradients thermiques significatifs le long de la chemise et qui produit ainsi un refroidissement plus uniforme de la partie arrière de la chemise. REVENDICATIONS1. Système de refroidissement pour chemise de chambre de combustion de turbine, comprenant : une chemise (44) de chambre de combustion ; un manchon d'écoulement (42) entourant au moins une partie de ladite chemise de chambre de combustion, un volume annulaire d'écoulement étant présent entre eux, ledit manchon d'écoulement comportant une pluralité de rangées de trous de refroidissement (34) formés sur son pourtour pour diriger l'air de refroidissement jusque dans ledit volume annulaire d'écoulement et vers ladite chemise de chambre de combustion ; au moins un fourreau (46) étant installé dans un ou plusieurs trous respectifs parmi lesdits trous de refroidissement, chaque dit fourreau s'étendant dans une direction radiale vers ladite chemise de chambre de combustion et ayant une paroi périphérique (48) divergeant dans une direction d'écoulement de l'air de refroidissement. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel chaque dit fourreau (46) a une forme tubulaire avec un rebord radial (50) à une extrémité de celui-ci. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel chaque dit fourreau (46) est soudé audit manchon d'écoulement (42), une extrémité opposée dudit fourreau étant espacée radialement de ladite chemise (44) dans une mesure prédéterminée. 4. Système selon la revendication 1, dans lequel chaque dit fourreau (46) diverge uniformément d'une extrémité à une autre suivant un angle de divergence d'un maximum d'environ 30°. 5. Système selon la revendication 1, dans lequel chaque dit fourreau (46) comporte un tube (48) avec un rebord radial (50) à une première extrémité de celui-ci, ledit rebord radial reposant sur une surface périphérique extérieure du manchon d'écoulement (42). 6. Procédé de refroidissement d'une chemise (44) de chambre de combustion entourée par un manchon d'écoulement (42), comprenant :a. la formation de plusieurs trous de refroidissement (34) dans ledit manchon d'écoulement ; et b. l'installation de fourreaux (46) dans au moins certains desdits trous de refroidissement, chacun desdits fourreaux ayant une paroi périphérique divergente (48) dans la direction d'écoulement du fluide de refroidissement à travers lesdits fourreaux vers ladite chemise de chambre de combustion. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel ladite paroi périphérique divergente (48) a une section transversale circulaire. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'étape a. comprend la formation de plusieurs rangées de trous de refroidissement et l'étape b. comprend l'installation de fourreaux (46) dans au moins certains trous de refroidissement de chaque rangée. 9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel chacun desdits fourreaux (46) diverge uniformément d'une extrémité à une autre suivant un angle de divergence d'environ 30°. 10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel au moins certains desdits fourreaux (46) sont situés à une extrémité arrière dudit manchon d'écoulement.