Brevet FR2931202A1 — publié le 20091120

B09-1551FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Circuit de refroidissement utilisé pour refroidir une aube de turbine Invention de : HESS John Raymond MOORE Kenneth ROUSH Eric Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 16 mai 2008 sous le n° 12/121.921 Circuit de refroidissement utilisé pour refroidir une aube de turbine Circuit de refroidissement utilisé pour refroidir une aube de turbine Des aspects de la présente invention sont orientés vers un circuit de refroidissement et plus particulièrement, un circuit de refroidissement utilisé pour refroidir une aube de turbine à gaz. La fourniture d'un agent de refroidissement à des aubes ou ailettes de rotor de turbine est un problème important dans la conception des turbines à gaz et en conséquence, un grand nombre de systèmes et de procédés différents pour effectuer la fourniture de l'agent de refroidissement ont été proposés. À titre d'exemple, le brevet U.S. No. 6 217 280 présente l'utilisation d'un circuit de refroidissement en boucle fermée dans lequel un agent de refroidissement s'écoule à travers le disque de rotor d'une turbine. De façon similaire, le brevet U.S. No. 5 226 785 présente l'utilisation d'un inducteur et d'une roue à aubes pour délivrer un écoulement de refroidissement d'aube tandis que le brevet U.S. No. 5 317 877 présente la circulation d'air extrait à travers un échangeur thermique et la fourniture de l'air à un rotor à travers un anneau où l'air est pompé jusqu'à l'entrée de l'aube de la turbine en utilisant une roue à aubes. Dans tous les cas, dans les systèmes de refroidissement d'aubes de turbine, la quantité d'air de refroidissement requise pour refroidir les aubes de la turbine est approximativement de 30 % à 40 % de l'écoulement d'air parasite total pour une machine donnée. En conséquence, tous les progrès dans les procédés de fourniture d'agent de refroidissement d'aubes de turbine peuvent procurer des améliorations importantes des performances de la machine. Selon un aspect de l'invention, un système pour fournir un agent de refroidissement à une aube de turbine d'une turbine à gaz est fourni et comporte un système d'extraction configuré pour extraire l'air de l'écoulement d'air d'un compresseur principal, un circuit d'alimentation dont au moins une partie est disposée à l'extérieur de la turbine à gaz, couplé au système d'extraction et configuré pour transporter l'air extrait comme ingrédients de l'agent de refroidissement, depuis le système d'extraction jusqu'à une région d'insertion d'agent de refroidissement, et un système de refroidissement, disposé à proximité de la région d'insertion d'agent de refroidissement de la turbine à gaz et couplé au circuit d'alimentation dans une position à bord de la turbine à gaz, le système de refroidissement étant configuré de manière à alimenter l'aube de turbine avec l'agent de refroidissement incluant l'air extrait. Selon un autre aspect de l'invention, un système pour fournir un agent de refroidissement à des aubes de turbine d'une turbine à gaz est fourni et comporte un système d'extraction configuré pour extraire un ensemble d'admissions d'air d'un écoulement d'air de compresseur principal, un circuit d'alimentation dont au moins une partie est disposée à l'extérieur de la turbine à gaz, couplé au système d'extraction et configuré pour transporter chacune des admissions d'air extrait comme ingrédient de l'agent de refroidissement, depuis le système d'extraction jusqu'à une région d'insertion d'agent de refroidissement, et un système de refroidissement, disposé à proximité de la région d'insertion d'agent de refroidissement de la turbine à gaz et couplé au circuit d'alimentation dans une position à bord de la turbine, le système de refroidissement étant configuré de manière à alimenter les aubes de turbine avec l'agent de refroidissement, incluant chacune des admissions de l'air extrait. Selon un autre aspect de l'invention, un procédé de fourniture d'un agent de refroidissement à une aube de turbine d'une turbine à gaz est fourni et comporte l'air extrait d'un écoulement d'air de compresseur principal, transportant de l'extérieur au moins partiellement l'air extrait comme ingrédient de l'agent de refroidissement, vers une région d'insertion d'agent de refroidissement de la turbine à gaz dans une position à bord de la turbine à gaz et l'alimentation de l'aube de turbine avec l'agent de refroidissement, incluant l'air extrait. Les objectifs, caractéristiques et avantages ci-dessus de l'invention ainsi que d'autres apparaissent d'après la description détaillée qui suit effectuée conjointement avec les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est un organigramme schématique illustrant l'écoulement d'air à travers un exemple de turbine à gaz et à travers un exemple de circuit d'alimentation selon un mode de réalisation de l'invention - la figure 2 est une vue en coupe d'un exemple de turbine selon un mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 est une vue en coupe éclatée de la partie arrière de la turbine de la figure 2. En se référant aux figures 1 et 2, un système utilisé avec un compresseur 1 délivre un agent de refroidissement à une aube de turbine 12 d'une turbine à gaz 10. Le système comporte un système d'extraction 30 configuré pour extraire l'air d'entrée d'au moins un des points d'extraction 30A et 30B situés le long du compresseur 1. Un circuit d'alimentation 20, couplé au système d'extraction 30, est configuré pour transporter l'air extrait comme ingrédient de l'agent de refroidissement, depuis le système d'extraction 30 jusqu'à une région d'insertion d'agent de refroidissement 46 de la turbine à gaz 10. Un système de refroidissement 40 est disposé à proximité de la région d'insertion d'agent de refroidissement 46 et il est couplé au circuit d'alimentation 20 de façon à être configuré pour alimenter l'aube de turbine 12 avec l'agent de refroidissement, incluant l'air extrait, provenant du circuit d'alimentation 20. Étant donné que la quantité d'air de refroidissement nécessaire pour refroidir les aubes de turbine est approximativement de 30 % à 40 % de l'écoulement d'air de charge total, comme indiqué ci-dessus, ce système peut fournir une augmentation importante des performances de la turbine 10. C'est-à-dire que le système permet d'utiliser l'air de l'étage inférieur dans l'agent de refroidissement et nécessite à cet effet une quantité d'air inférieure. En outre, le système d'alimentation 20 peut être utilisé pour refroidir, nettoyer et/ou sinon surveiller l'air extrait durant le fonctionnement de la turbine à gaz 10. La turbine à gaz 10 comporte une région de mélange de carburant 14 où du carburant est mélangé par exemple avec l'air d'entrée afin de former un mélange combustible, et une région de combustion 16 en aval de la région de mélange de carburant 14. Des pièces profilées tournent à travers les gaz de sortie de combustion durant le fonctionnement de la turbine à gaz 10 et entraînent les disques de rotation support 13 qui sont séparés les uns des autres par des cavités inter-disque 11. Bien que ce ne soit pas nécessaire, on comprendra que la région d'insertion d'agent de refroidissement 46 de la turbine à gaz 10 est située en arrière des points d'extraction 30A et 30B. On notera ici que le système d'extraction 30 comporte au moins l'un des corps d'admission d'air 35 et 36 pouvant inclure des collecteurs ou d'autres cavités similaires. Les corps d'admission d'air 35 et 36, sont couplés à un certain nombre de lignes individuelles 21 et 22 du circuit d'alimentation 20 et sont disposés à proximité des points d'extraction 30A et 30B. Dans cet agencement, les corps d'admission d'air 35 et 36 sont configurés pour recevoir et pour stocker l'air extrait provenant des points d'extraction 30A et 30B avant que l'air ne soit fourni au circuit d'alimentation 20. En référence maintenant aux figures 2 et 3, le système de refroidissement 40 peut inclure au moins un système parmi un système à tourbillons forcés et/ou un système à tourbillons libres, qui est couplé au circuit d'alimentation 20 et qui est configuré pour alimenter l'aube de turbine 12 avec l'agent de refroidissement. Lorsqu'on utilise des sources multiples d'agent de refroidissement, avec des pressions suffisamment disparates, un tube axial 44, 45 (par exemple, des tubes d'alésage de rotor) est couplé aux pièces du rotor 100 dans la région à bord 46. Le tube axial 44, 45 est configuré pour délivrer l'agent de refroidissement, incluant l'air extrait, vers l'aube de turbine 12. En tant que partie de la fourniture, un mécanisme à tourbillons forcés 47, 48 qui est couplé au tube axial 44, 45 est configuré pour accroître la vitesse d'écoulement de l'agent de refroidissement. Bien que n'étant pas requis, le mécanisme à tourbillons forcés 47 ou 48 peut inclure des tubes radiaux, des roues à aubes ou une structure de rotor séparée et il augmente la vitesse d'écoulement de l'agent de refroidissement lorsque l'écoulement passe d'un rayon à bord relativement faible à un rayon plus grand correspondant au rayon de l'entrée de l'aube de turbine 12. Le mécanisme à tourbillons forcés 47 ou 48 peut également être couplé aux disques de rotation 13. À titre de variante, lorsqu'on utilise le système à tourbillons libres, l'agent de refroidissement est délivré à l'aube de turbine 12 avec une vitesse circonférentielle relativement faible par rapport au cas des tourbillons forcés. En se référant maintenant à la figure 2, on notera que le circuit d'alimentation 20 peut inclure des éléments supplémentaires, tels qu'un échangeur thermique 50, qui est configuré pour chauffer et/ou refroidir l'air extrait, un nettoyeur 60 qui est configuré pour nettoyer, par exemple les particules de poussière de l'air extrait, et un dispositif de mesure 70, qui est configuré pour mesurer diverses caractéristiques de l'air extrait, telles que sa température, sa pression et/ou sa pureté. L'échangeur thermique 50, le nettoyeur 60 et le dispositif de mesure 70 sont disposés le long du circuit d'alimentation entre le système d'extraction 30 et le système de refroidissement 40. Dans un autre mode de réalisation, le circuit d'alimentation peut également inclure un compresseur 80 pour régler la pression de l'air extrait. Bien que la figure 2 illustre le circuit d'alimentation 20 comme incluant l'échangeur thermique 50, le nettoyeur 60, le dispositif de mesure 70 et le compresseur 80, on comprendra que ces éléments peuvent être inclus avec le circuit d'alimentation 20 dans une quelconque de ses combinaison et/ou peut être éliminé en même temps ou séparément. Comme indiqué ci-dessus, l'air extrait utilisé dans l'agent de refroidissement est délivré le long du circuit d'alimentation 20 et ramené ensuite à bord de la turbine à gaz 10. Ceci peut être réalisé de diverses manières, toutes deux étant illustrées schématiquement sur la figure 3. Dans un mode de réalisation, un ou plusieurs tuyaux externes du circuit d'alimentation 20 sont couplés à un raccord d'air 111 à travers lequel s'écoule circonférentiellement l'air extrait dans un passage convergent vers les pièces du rotor 44, 45. Le passage est dimensionné de façon que la vitesse de l'écoulement augmente suffisamment pour permettre à l'air extrait de s'écouler dans les pièces de rotor 44, 45. Dans un autre mode de réalisation, les tuyaux extérieurs du circuit d'alimentation 20 sont alignés avec un tube d'alésage de rotor 112 qui est couplé aux pièces de rotor 44, 45. Dans ces modes de réalisation ainsi que dans d'autres, une fuite d'air extrait peut se produire dans plusieurs positions. Parmi celles-ci se trouve le point de rencontre du raccord d'air 111 avec les pièces du rotor 100 et le point de rencontre des tuyaux externes du circuit d'alimentation 20 avec le tube d'alésage de rotor 112. Selon une option pour atténuer les effets de cette fuite, le système de refroidissement 40 peut être configuré en outre avec des mécanismes de remise en circulation 49 pour remettre en circulation l'air qui a fui. Comme représenté sur la figure 2, les mécanismes de remise en circulation 49 peuvent être disposés à proximité du système de refroidissement 40 et peuvent fonctionner par exemple selon le tourbillonnement forcé ou d'autre processus similaire pour forcer l'air remis en circulation qui a fui dans les composants respectifs à refroidir et/ou à purger. Le système peut être configuré pour délivrer un agent de refroidissement à une ou plusieurs aubes de turbine 12. Le système d'extraction 30 est configuré ici pour extraire un ensemble d'admissions d'air d'entrée d'un ensemble de points d'extraction 30A et 30B. Comme auparavant, le circuit d'alimentation 20 est couplé au système d'extraction 30 et il est configuré pour transporter chacune des admissions d'air extrait dans certains cas, indépendamment des autres, comme ingrédients de l'agent de refroidissement, depuis le système d'extraction 30 jusqu'aux aubes de turbine 12 dans la région d'insertion d'agent de refroidissement 46 par l'intermédiaire du système de refroidissement 40. Des aubes de turbine positionnées en arrière en augmentant 12 reçoivent une partie de l'agent de refroidissement incluant les admissions d'air extrait qui sont respectivement extraites des points d'extraction positionnés en avant en augmentant 30A et 30B. Par exemple, comme représenté schématiquement sur la figure 1, l'air d'un étage relativement inférieur est extrait sur la ligne d'extraction avant 31 et il est délivré à une région d'un étage relativement supérieur de la turbine 10 le long de la ligne de refroidissement en arrière 41, l'air d'un étage relativement moyen est extrait sur la ligne d'extraction centrale 32 et délivré à une région d'étage relativement moyen de la turbine 10 le long de la ligne de refroidissement centrale 42 et l'air d'un étage relativement élevé est extrait le long de la ligne d'extraction arrière 33 et il est délivré à une région d'un étage relativement bas de la turbine 10 le long de la ligne de refroidissement avant 43. Selon un autre aspect de l'invention, un procédé de fourniture d'un agent de refroidissement à une ou plusieurs aubes de turbine 12 d'une turbine à gaz 10 comporte l'extraction d'air d'un écoulement d'air de compresseur principal, transportant au moins partiellement de l'extérieur l'air extrait, comme ingrédient de l'agent de refroidissement, vers une région d'insertion d'agent de refroidissement 46 de la turbine à gaz 10 dans une position à bord de la turbine à gaz 10 et alimentant l'aube de turbine 12 avec l'agent de refroidissement, incluant l'air extrait. Bien que l'invention ait été décrite en détail en relation avec seulement un nombre limité de modes de réalisation, on comprendra facilement que l'invention n'est pas limitée à ces modes de réalisation décrits. En remplacement, l'invention peut être modifiée pour incorporer un nombre quelconque de variantes, modifications, remplacements ou agencements équivalents qui n'ont pas été décrits jusqu'à présent, mais qui sont d'une commune mesure avec l'esprit et la portée de l'invention. De plus, bien que divers modes de réalisation de l'invention aient été décrits, on comprendra que des aspects de l'invention peuvent inclure seulement certains des modes de réalisation décrits. 10 15 20 25 9 LISTE DES PIECES Compresseur Turbine à gaz Cavités entre disques Disques de rotation Région de mélanges de carburant Aube de turbine Circuit d'alimentation Système d'extraction Point d'extraction Lignes d'extraction Corps d'admission d'air Système de refroidissement Ligne de refroidissement Tube axial Région d'insertion d'agent de refroidissement Mécanisme à tourbillonnement forcé Mécanismes de remise en circulation Échangeur thermique Nettoyeur Dispositif de mesure Compresseur Pièces de rotor Raccord d'air Tube d'alésage de rotor 1 10 11 13 14 12 20 30 30A, 30B 31, 32, 33 35, 36 40 41, 42, 43 44, 45 46 47, 48 49 50 60 70 80 100 111 112 REVENDICATIONS1. Système pour fournir un agent de refroidissement à une aube de turbine (12) d'une turbine à gaz (10), le système comprenant : un système d'extraction (30) configuré pour extraire l'air de l'écoulement d'air d'un compresseur principal (1) ; un circuit d'alimentation (20) dont au moins une partie est disposée à l'extérieur de la turbine à gaz (10), couplé au système d'extraction (30) et configuré pour transporter l'air extrait comme ingrédient de l'agent de refroidissement, depuis le système d'extraction (20) jusqu'à une région d'insertion d'agent de refroidissement (46) ; et un système de refroidissement (40), disposé à proximité de la région d'insertion d'agent de refroidissement (46) de la turbine à gaz (10) et couplé au circuit d'alimentation (20) dans une position à bord de la turbine à gaz (10), le système de refroidissement (40) étant configuré de manière à alimenter l'aube de turbine (12) avec l'agent de refroidissement incluant l'air extrait. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le système de refroidissement (40) comprend un système à tourbillonnement forcé (47, 48). 3. Système selon la revendication 1, dans lequel le circuit d'alimentation (20) comprend un échangeur thermique (50) configuré pour chauffer et/ou pour refroidir l'air extrait. 4. Système selon la revendication 1, dans lequel le circuit d'alimentation (20) comprend un dispositif de nettoyage (40) configuré pour nettoyer l'air extrait. 5. Système selon la revendication 1, dans lequel le circuit d'alimentation (20) comprend un dispositif de mesure (70) configuré pour mesurer une caractéristique prédéterminée de l'air extrait. 6. Système selon la revendication 1, dans lequel le circuit d'alimentation (20) comprend un compresseur (80) configuré pour régler la compression de l'air extrait. 7. Système selon la revendication 1, dans lequel le système de refroidissement (40) et couplé au circuit d'alimentation (20) parl'intermédiaire d'un raccord d'air (111) avec un passage circonférentiel convergent. 8. Système pour fournir un agent de refroidissement à des aubes de turbine (12) d'une turbine à gaz (10), le système comprenant : un système d'extraction (30) configuré pour extraire un ensemble d'admissions d'air d'un écoulement d'air de compresseur principal ; un circuit d'alimentation (20) dont au moins une partie est disposée à l'extérieur de la turbine à gaz (10), couplé au système d'extraction (30) et configuré pour transporter chacune des admissions d'air extrait comme ingrédients de l'agent de refroidissement, depuis le système d'extraction (30) jusqu'à une région d'insertion d'agent de refroidissement (46) ; et un système de refroidissement (40), disposé à proximité de la région d'insertion d'agent de refroidissement (40) de la turbine à gaz (10) et couplé au circuit d'alimentation (20) dans une position à bord de la turbine (10), le système de refroidissement (40) étant configuré de manière à alimenter les aubes de turbine (12) avec l'agent de refroidissement, incluant chacune des admissions de l'air extrait. 9. Système selon la revendication 8, dans lequel les admissions d'air sont extraites de l'écoulement d'air au niveau d'un ensemble de points d'extraction (30A, 30B), et dans lequel la région d'insertion d'agent de refroidissement (46) de la turbine (10) est située en arrière des points d'extraction (30A, 30B). 10. Système selon la revendication 9, dans lequel des aubes de turbine positionnées en arrière en augmentant (12) reçoivent respectivement une partie de l'agent de refroidissement incluant les admissions d'air extrait qui sont respectivement extraites des points d'extraction positionnés en avant en augmentant (30A, 30B).