Brevet FR2931225A1 — publié le 20091120

B09-1586FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Procédé de réglage du refroidissement et de la dilution à une interface de chambre de combustion et une chamre de combustion à gaz Invention de : HESSLER William POPOVIC Predrag NYBERG Charles Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 13 mai 2008 sous le n° 12/153.020 Procédé de réglage du refroidissement et de la dilution à une interface de chambre de combustion et une chamre de combustion à gaz La présente invention est relative au refroidissement interne dans un moteur à turbine à gaz et, plus particulièrement, à un dispositif et un procédé pour réaliser un refroidissement amélioré et plus uniforme dans une région de transition ou d'interface entre une chemise de chambre de combustion et une pièce de transition. Les chambres de combustion de turbines à gaz classiques utilisent une combustion à diffusion (c'est-à-dire sans prémélange) dans laquelle le combustible et l'air entrent séparément dans la chambre de combustion. Le processus de mélange et de combustion produit des températures de flammes supérieures à 2150°C. Comme les chambres de combustion et/ou les pièces de transition sont généralement aptes à supporter une température maximale de l'ordre de seulement environ 815°C pendant environ dix mille heures (10 000 h), il faut prendre des mesures pour protéger la chambre de combustion et/ou la pièce de transition. Cela s'est fait habituellement par un refroidissement par film qui implique l'introduction d'air relativement froid du compresseur dans un plenum formé par un manchon de refroidissement par impact entourant la pièce de transition et un manchon d'écoulement entourant la chemise de la chambre de combustion. Cet air de refroidissement est finalement renvoyé dans la chambre de combustion où il se mélange à un combustible pour le réglage de la combustion et de la dilution. Diverses techniques ont été employées pour refroidir l'extrémité arrière de la chemise d'une chambre de combustion (l'extrémité adjacente à la pièce de transition) et le joint à compression (ou joint "hula") ordinairement utilisé à l'interface de la pièce de transition et de la chemise de chambre de combustion. On se rapportera, par exemple, au brevet des E.U.A. n° 6 098 397 qui décrit la réalisation d'un ensemble de concavités sur la surface extérieure de la chemise afin d'accentuer le transfert thermique. Une autre technique est décrite dans le brevet des E.U.A. n° 7 010 921 où l'extrémité arrière de la chemise de chambre de combustion est pourvue d'une pluralité de nervures ou de générateurs de tourbillons s'étendant axialement sur son pourtour, couverte d'un manchon ou d'une plaque de couverture, en formant ainsi une série de canaux de refroidissement. De l'air de refroidissement est introduit dans les canaux par des fentes ou ouvertures d'entrée d'air à l'extrémité avant des canaux et sortie dans la pièce de transition placée de manière télescopique sur l'extrémité arrière de la chambre. Le réglage de la chambre de combustion (dont le système de refroidissement), qui ne peut se faire qu'une fois que la turbine est opérationnelle, implique ordinairement un démontage de la turbine et un retrait de la pièce de transition pour y créer par perçage ou soudage des trous de dilution. I1 s'agit d'un processus chronophage, donc coûteux. Par conséquent, on a encore besoin d'un système de refroidissement qui assure un refroidissement efficace, uniforme, de l'extrémité arrière de l'interface entre la chemise de chambre de combustion et la pièce de transition, mais qui simplifie aussi le processus de réglage de la chambre de combustion. Selon un aspect constituant un exemple nullement limitatif, la présente invention est relative à une chemise de chambre de combustion comprenant une extrémité avant et une extrémité arrière, l'extrémité arrière ayant une partie à diamètre réduit et un manchon de refroidissement et de dilution disposé par-dessus la partie à diamètre réduit en créant ainsi entre eux un plenum de refroidissement ; une pluralité de trous d'entrée d'air de refroidissement formés dans le manchon de refroidissement et une pluralité de trous de sortie d'air de refroidissement formés au voisinage immédiat d'un bord arrière de la chemise de façon que, en fonctionnement, de l'air de refroidissement passe par les trous d'entrée d'air de refroidissement et par le plenum, sortant par les trous de sortie d'air de refroidissement en refroidissant de ce fait l'extrémité arrière de la chemise de chambre de combustion et en agissant sur le réglage de la dilution. Selon un autre aspect constituant un aspect nullement limitatif, l'invention est relative à une chemise de chambre de combustion comprenant une extrémité avant de chemise et une extrémité arrière de chemise, l'extrémité arrière de chemise ayant une partie à diamètre réduit et un manchon de refroidissement et de dilution disposé par-dessus la partie à diamètre réduit en créant ainsi entre eux un plenum de refroidissement ; une pluralité de trous d'entrée d'air de refroidissement formés dans le manchon de refroidissement et une pluralité de trous de sortie d'air de refroidissement formés au voisinage immédiat d'un bord arrière de la chemise de façon que, en fonctionnement, de l'air de refroidissement passe par les trous d'entrée d'air de refroidissement et par le plenum, sortant par les trous de sortie d'air de refroidissement en refroidissant de ce fait l'extrémité arrière de la chemise ; un joint à compression étant fixé à une surface extérieure du manchon de refroidissement, d'une manière directe radialement vers l'extérieur du plenum ; et l'extrémité arrière de la chemise comportant une partie conique vers l'intérieur aboutissant à la partie à diamètre réduit, et une partie conique vers l'extérieur aboutissant à un collier annulaire, le manchon de refroidissement ayant une extrémité avant de manchon venant toucher la chemise à un emplacement en amont de la partie conique vers l'intérieur, et une extrémité arrière de manchon fixée au collier. Selon un autre aspect, les trous d'entrée d'air de refroidissement et de dilution sont formés en un ensemble annulaire au voisinage immédiat du bord avant du manchon de refroidissement et de dilution. Selon un autre aspect, les trous de sortie d'air de refroidissement et de dilution sont formés en un ensemble annulaire dans ladite partie conique vers l'extérieur de la chemise Selon un autre aspect, le manchon de refroidissement et de dilution a une partie conique vers l'intérieur tout près d'un bord avant de celui-ci, et en outre dans laquelle les trous d'entrée d'air de refroidissement et de dilution sont formés en un ensemble annulaire dans la partie conique vers l'intérieur du manchon de refroidissement et de dilution, et les trous de sortie d'air de refroidissement et de dilution sont formés dans la partie conique vers l'extérieur de ladite chemise. Selon un autre aspect, l'extrémité avant du manchon de refroidissement forme un joint coulissant avec la chemise. Selon encore un autre aspect constituant un exemple nullement limitatif, l'invention est relative à un procédé de refroidissement d'une extrémité arrière d'une chemise de chambre de combustion et d'un joint d'étanchéité annulaire correspondant, comprenant : la formation d'une partie d'extrémité arrière de la chemise avec une partie à diamètre réduit ; la mise en place d'un manchon de refroidissement autour de la partie à diamètre réduit, espacé radialement par rapport à celle-ci, de façon à créer un plenum annulaire ; la formation de trous d'entrée d'air de refroidissement dans une extrémité amont du manchon de refroidissement et de trous de sortie d'air de refroidissement dans la chemise, tout près d'un bord arrière de celui-ci, de façon que, en fonctionnement, de l'air de refroidissement passe par les trous d'entrée d'air de refroidissement pour entrer dans le plenum et passer par les trous de sortie d'air de refroidissement. 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 coupe partielle illustrant une construction de pièce de transition de turbine à gaz selon la technique antérieure, une chemise de chambre de combustion correspondante étant représentée schématiquement ; - la figure 2 est une vue éclatée partielle en perspective de l'extrémité arrière d'une chemise de chambre de combustion suivant une configuration de refroidissement selon la technique antérieure ; - la figure 3 est une coupe partielle de l'extrémité arrière d'une chemise de chambre de combustion suivant un premier exemple nullement limitatif de forme de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une coupe partielle de l'extrémité arrière d'une chemise de chambre de combustion suivant un deuxième exemple nullement limitatif de forme de réalisation de l'invention ; et - la figure 5 est une coupe partielle de l'extrémité arrière d'une chemise de chambre de combustion suivant un troisième exemple nullement limitatif de forme de réalisation de l'invention. En référence à la figure 1, 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 illustrée schématiquement, sont amenés à passer jusqu'au premier étage d'une turbine représentée en 14. Le flux venant du compresseur de la turbine à gaz sort par un diffuseur axial 16 et entre dans un corps de refoulement 18 du compresseur. Dans certains types de pièces de transition, environ 50 % de l'air de refoulement du compresseur passent par des ouvertures 20 formées le long et autour d'un manchon de refroidissement par impact 22 de la pièce de transition pour s'écouler dans une région annulaire ou un volume annulaire 24 (ou un second volume annulaire d'écoulement) entre la pièce de transition 10 et le manchon radialement extérieur de refroidissement par impact 22 de la pièce de transition. Les environ 50 % restants du flux de refoulement du compresseur entrent dans des trous d'un manchon amont (non représenté) d'écoulement de la chemise de combustion et dans un volume annulaire entre le manchon d'écoulement et la chemise 12 où ils se mélangent à l'air dans le volume annulaire 24 avant d'être renvoyés dans la chambre de combustion. Un système selon la technique antérieure pour accoupler la pièce de transition et le manchon de refroidissement par impact avec la chemise de chambre de combustion et le manchon d'écoulement est décrit, par exemple, dans le brevet des E.U.A. n° 7 010 921 et n'a pas à être décrit plus en détail ici. Sur la figure 2 est représenté un système de refroidissement selon la présente invention pour l'extrémité arrière de la chemise 12 (similaire au système décrit dans le brevet des E.U.A. n° 7 010 921) comprenant un joint d'étanchéité correspondant 26, du type à compression, couramment appelé "joint hula", monté sur la plaque de couverture 28, au voisinage immédiat d'une région de transition conique 30 de la chemise. On notera que la figure 2 ne représente que des "tranches" des pièces qui, autrement, sont annulaires. Ainsi, la plaque de couverture cylindrique 28 est montée sur la chemise afin de former une surface de montage pour le joint annulaire à compression et de former une partie des canaux 34 d'écoulement axial d'air. Plus particulièrement, la chemise 12 a une pluralité de reliefs ou nervures axiaux 32 qui s'étendent sur une partie de l'extrémité arrière de la chemise 12. La plaque de couverture 28 et les nervures 32 définissent conjointement les canaux respectifs 34 d'écoulement d'air. Ces canaux sont sensiblement parallèles et s'étendent sur une partie de l'extrémité arrière de la chemise 12. De l'air de refroidissement est introduit dans les canaux 34 par une fente ou une ouverture annulaire 36 d'entrée d'air (ou par des trous 36A) à l'extrémité avant des canaux. L'air de refroidissement entre dans les canaux 34, passe dans ceux-ci et sort par des ouvertures 38 à une extrémité arrière de la chemise. Considérant maintenant la figure 3, un exemple nullement limitatif de forme de réalisation de l'invention représente l'extrémité arrière de la chemise 40 pourvue d'un cône 42 radialement vers l'intérieur, créant une partie 44 à diamètre réduit à l'extrémité aval de la chemise. Une partie conique 46 radialement vers l'extérieur donne à la chemise un plus grand diamètre, un collier annulaire 47 aboutissant à un bord arrière 48. Un manchon de refroidissement tubulaire, cylindrique 50 s'étend depuis un point à peu près à mi-distance le long de la partie conique 42 de la chemise, jusqu'à un bord arrière 54 adjacent au bord terminal 48 de la chemise. Le manchon 50 peut être soudé à la partie formant collier 47 de la chemise. Un joint d'étanchéité élastique (ou joint hula) 56 est fixé au bord arrière du manchon de refroidissement 50 (par exemple, par soudage) et permet un contact étanche contre la surface intérieure de la pièce de transition (non représenté). Des trous d'entrée 58 d'air de refroidissement sont ménagés en un ensemble annulaire autour du manchon de refroidissement 50, à un emplacement très proche du bord avant 52 du manchon. Ainsi, l'air de refroidissement passant par les trous d'entrée 58 d'air entre dans un plenum de refroidissement 60 entre la partie 44 à diamètre réduit de la chemise et le manchon de refroidissement 50. L'air passant par le plenum sort par un ensemble annulaire de trous de sortie 62 d'air de refroidissement formés dans la partie 46, conique vers l'extérieur, de la chemise. On notera que la section de la chemise comportant la partie 42 conique vers l'intérieur, la partie 44 à diamètre réduit, la partie 46 conique vers l'extérieur et le collier 47 peuvent être formés séparément et soudés à la chemise, par exemple à un emplacement indiqué en 63. Afin de régler la chambre de combustion avec ce système, il suffit de percer des trous supplémentaires 60 d'entrée d'air de refroidissement en fonction des besoins, sans avoir non plus à retirer la pièce de transition. Cette conception permet de réduire les réglages. Dans une variante de cette conception, un collier 51 à ajustement relativement serré 51 pourrait être appliqué sur le manchon 50, axialement derrière le joint 56. Le collier 51 pourrait avoir, à des emplacements choisis, une série de trous 59 à espacement circonférentiel de façon qu'on puisse ensuite faire tourner le collier afin de mettre certains ou la totalité des trous 59 partiellement ou entièrement dans l'alignement des trous 58 pour obtenir de ce fait les caractéristiques voulues de réglage de refroidissement et de dilution sans avoir à retirer la pièce de transition ni a ajouter des trous dans le manchon 50. La figure 4 illustre un autre exemple nullement limitatif de forme de réalisation de l'invention. Cette forme de réalisation constitue une variante de la configuration selon la technique antérieure représentée sur la figure 2. Cependant, dans ce cas, une nouvelle pièce d'extrémité arrière 64 est ajoutée sur la chemise, et la région de transition d'origine 130 sert maintenant de manchon de refroidissement, créant un plenum 66 entre elles. La pièce d'extrémité arrière 64 est similaire à l'extrémité arrière représentée sur la figure 3, une partie 68 conique vers l'intérieur aboutissant à une partie 70 à diamètre réduit. Une partie d'extrémité arrière 72, conique vers l'extérieur, aboutit à un collier et un bord terminaux (non représentés, mais similaires à ceux de la figure 3). Des trous de sortie 74 d'air de refroidissement sont formés en un ensemble annulaire, autour de la partie d'extrémité conique 72. Le manchon de refroidissement 76 comporte aussi une partie 78, conique vers l'intérieur, aboutissant à une partie 80 à diamètre réduit aboutissant à un bord terminal (non représenté) d'extrémité arrière. Le manchon de refroidissement est similaire au manchon représenté sur la figure 2, mais ici les canaux sont fermés du fait de la suppression de l'ouverture avant (36 sur la figure 2). En fait, la plaque de couverture 82 et la partie 80 à diamètre réduit pourraient être réalisées d'un seul tenant, en supprimant les canaux 84. L'air de refroidissement entre alors par les trous d'entrée 86 d'air de refroidissement formés autour de la partie conique 78, s'écoule dans le plenum et sort par les trous de sortie 74 d'air de refroidissement formés dans la partie d'extrémité arrière conique 72. Considérant maintenant la figure 5, il y est illustré un autre exemple de forme préférée de réalisation de l'invention, qui représente une version simplifiée du système de refroidissement de la figure 4. Plus spécifiquement, la pièce d'extrémité arrière 88 de la chemise 90 est là encore pourvue d'une partie 92 conique vers l'intérieur, d'une partie 94 à diamètre réduit, d'une partie d'extrémité arrière 96 conique vers l'extérieur, et d'un anneau ou collier terminal plat 98 définissant le bord arrière 100 de la chemise. Un manchon de refroidissement 102 est soudé à l'anneau ou collier 98 de la chemise, s'étendant en s'éloignant du bord terminal 100, et comprenant une partie conique 104 se fondant dans une partie formant bord avant où un joint coulissant est formé avec la pièce d'extrémité arrière 88, au voisinage immédiat d'un bord avant 108 où la pièce d'extrémité arrière 88 est réunie à la chemise 90. Ce système crée un plenum 110 entre la pièce d'extrémité arrière 88 et le manchon de refroidissement 102. Des trous d'entrée 112 d'air de refroidissement dans le manchon 102 permettent à l'air de refroidissement et de dilution d'entrer dans le plenum 110, et de sortir par des trous 114 formés dans la partie 96, conique vers l'extérieur, de la pièce d'extrémité arrière 88. Un doigt élastique ou joint hula 116 est soudé à l'extrémité arrière du manchon de refroidissement 102. Les systèmes de refroidissement et de dilution décrits plus haut, illustrés sur les figures 3 à 5, déchargent de l'air de refroidissement sous le joint hula, en refroidissant le joint ainsi que l'extrémité arrière de la chemise de chambre de combustion. En même temps, le réglage de la chemise de chambre de combustion en ce qui concerne l'optimisation de l'air de dilution peut être effectué sans avoir à retirer la pièce de transition, en modifiant ou en ajoutant des trous d'entrée d'air de refroidissement et/ou d'extrémité dans le manchon de refroidissement et/ou la chemise. LISTE DES REPERES 10 Pièce de transition 12 Chemise de chambre de combustion 14 Premier étage de turbine 16 Diffuseur axial 18 Corps de refoulement du compresseur 20 Ouvertures 22 Manchon de refroidissement par impact 24 Volume annulaire (second) 26 Joint à compression 28 Plaque de couverture 30 Région de transition 32 Nervures 34 Canal d'écoulement d'air 36 Fente ou ouverture d'entrée 38 Ouvertures 40 Chemise 42 Partie conique vers l'intérieur 44 Partie à diamètre réduit 46 Partie conique vers l'extérieur 47 Collier annulaire 48 Bord arrière 50 Manchon de refroidissement 51 Collier 52 Bord avant 54 Bord arrière 56 Joint élastique 58 Trous d'entrée 59 Trous 60 Plenum de refroidissement 62 Trous de sortie 63 Emplacement de soudure 64 Pièce d'extrémité arrière 66 Plenum 68 Partie conique vers l'intérieur 70 Partie à diamètre réduit 72 Partie d'extrémité arrière conique vers l'extérieur 74 Trous de sortie 76 Manchon de refroidissement 78 Partie conique vers l'intérieur 80 Partie à diamètre réduit 82 Plaque de couverture 84 Canaux 86 Trous d'entrée d'air 88 Pièce d'extrémité arrière 90 Chemise 92 Partie conique vers l'intérieur 94 Partie à diamètre réduit 96 Partie conique vers l'extérieur 98 Collier 100 Bord arrière 102 Manchon de refroidissement 104 Partie conique 106 Partie formant bord avant 108 Bord avant 110 Plenum 112 Trous d'entrée 114 Trous de sortie 116 Joint élastique ou hula REVENDICATIONS1. Chemise (40) de chambre de combustion comprenant une extrémité avant et une extrémité arrière, l'extrémité arrière ayant une partie (44) à diamètre réduit et un manchon de refroidissement et de dilution (50) disposé par-dessus la partie (44) à diamètre réduit en créant ainsi entre eux un plenum de refroidissement (60) ; une pluralité de trous d'entrée (58) d'air de refroidissement et de dilution formés dans ledit manchon de refroidissement (50) et une pluralité de trous de sortie(62) d'air de refroidissement et de dilution formés au voisinage immédiat d'un bord arrière de la chemise de façon que, en fonctionnement, de l'air de refroidissement passe par lesdits trous d'entrée (58) d'air de refroidissement et de dilution et par ledit plenum (60), sortant par lesdits trous de sortie (62) d'air de refroidissement et de dilution en refroidissant de ce fait l'extrémité arrière de la chemise (40) de chambre de combustion. 2. Chemise de chambre de combustion selon la revendication 1, dans laquelle un joint d'étanchéité à compression (56) est fixé à une surface extérieure dudit manchon de refroidissement et de dilution (50), d'une manière directe radialement vers l'extérieur dudit plenum (60). 3. Chemise de chambre de combustion selon la revendication 1, dans laquelle ladite extrémité arrière comporte une partie conique vers l'intérieur (42) aboutissant à ladite partie (44) à diamètre réduit, et une partie conique vers l'extérieur (46) aboutissant à un collier annulaire (47), et en outre dans laquelle un bord avant (52) dudit manchon de refroidissement et de dilution (50) vient toucher ladite partie conique vers l'intérieur (42) et un bord arrière (54) dudit manchon de refroidissement et de dilution (50) est fixé audit collier (47). 4. Chemise de chambre de combustion selon la revendication 1, dans laquelle ladite extrémité arrière comporte une partie conique vers l'intérieur (68) aboutissant à ladite partie (70) à diamètre réduit, et une partie conique vers l'extérieur (72) aboutissant à un collierannulaire (47), et en outre dans laquelle ledit manchon de refroidissement et de dilution (76) a une extrémité avant de manchon qui vient toucher la chemise à un emplacement en amont de ladite partie conique vers l'intérieur (68) et une extrémité arrière de manchon fixée audit collier (47). 5. Chemise de chambre de combustion selon la revendication 3, dans laquelle lesdits trous d'entrée (58) d'air de refroidissement et de dilution sont formé en un ensemble annulaire au voisinage immédiat dudit bord avant (52) dudit manchon de refroidissement et de dilution. 6. Chemise de chambre de combustion selon la revendication 5, dans laquelle lesdits trous de sortie (62) d'air de refroidissement et de dilution sont formés en un ensemble annulaire dans ladite partie conique vers l'extérieur (46) de la chemise. 7. Chemise de chambre de combustion selon la revendication 4, dans laquelle ledit manchon de refroidissement et de dilution (76) a une partie conique vers l'intérieur (78) tout près d'un bord avant de celui-ci, et en outre dans laquelle lesdits trous d'entrée (86) d'air de refroidissement et de dilution sont formés en un ensemble annulaire dans ladite partie conique vers l'intérieur (78) dudit manchon de refroidissement et de dilution, et lesdits trous de sortie (74) d'air de refroidissement et de dilution sont formés dans ladite partie conique vers l'extérieur (72) de ladite chemise. 8. Chemise de chambre de combustion selon la revendication 7, dans laquelle un joint d'étanchéité à compression (116) est fixé à une surface extérieure dudit manchon de refroidissement et de dilution (102), d'une manière directe radialement vers l'extérieur dudit plenum (110). 9. Chemise de chambre de combustion selon la revendication 7, dans laquelle ladite extrémité avant dudit manchon de refroidissement (102) forme un joint coulissant avec la chemise (90). 10. Procédé de réglage de refroidissement et de dilution pour une extrémité arrière d'une chemise (40) de chambre de combustion et d'un joint d'étanchéité annulaire correspondant, comprenant :la formation d'une partie d'extrémité arrière de la chemise (40) avec une partie (44) à diamètre réduit ; la mise en place d'un manchon de refroidissement et de dilution (50) autour de ladite partie à diamètre réduit, espacé radialement par rapport à celle-ci, de façon à créer un plenum annulaire (60) ; la formation de trous d'entrée (58) d'air de refroidissement et de dilution dans une extrémité amont dudit manchon de refroidissement et de dilution (50) et de trous de sortie (62) d'air de refroidissement et de dilution dans ladite chemise, tout près d'un bord arrière de celui-ci, de façon que, en fonctionnement, de l'air de refroidissement passe par lesdits trous d'entrée (58) d'air de refroidissement et de dilution pour entrer dans ledit plenum (60) et passer par lesdits trous de sortie (62) d'air de refroidissement et de dilution.