Brevet FR2928995A1 — publié le 20090925

B 09-0756 FR 1 Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Dispositif de combustion de moteur à turbine, moteur à turbine et procédé de refroidissement de région de transition Invention de : JOHNSON Thomas Edward HUFFMAN Marcus B. Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 18 mars 2008 sous le n° 12/076.385 Dispositif de combustion de moteur à turbine, moteur à turbine et procédé de refroidissement de région de transition La présente invention concerne le refroidissement interne dans un moteur à turbine à gaz, et plus particulièrement un ensemble et un procédé pour prévenir le développement de grands gradients thermiques dans la pièce de transition ou paroi de chemise. Les dispositifs de combustion traditionnels des turbines à gaz utilisent la 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 flamme dépassant 2150 °C (3900 °F). Comme les dispositifs de combustion et/ou pièces de transition classiques muni(e)s de chemises sont généralement capables de supporter une température maximale de l'ordre de seulement 815 °C (1500 °F) pendant environ dix mille heures (10 000 h), des mesures doivent être prises pour protéger le dispositif de combustion et/ou la pièce de transition. Ceci est fait de manière classique en effectuant un refroidissement par film, qui implique d'introduire de l'air de compresseur relativement froid dans un espace de distribution formé par la chemise de dispositif de combustion entourant l'extérieur du dispositif de combustion. Dans cet agencement antérieur, l'air de l'espace de distribution passe à travers des déflecteurs prévus dans la chemise puis passe sous la forme d'un film sur la surface intérieure de la chemise, ce qui permet de maintenir l'intégrité de la chemise du dispositif de combustion. Etant donné que l'azote diatomique se dissocie rapidement aux températures supérieures à 1650 °C (3000 °F), les hautes températures de la combustion à diffusion se traduisent par des émissions de NOx (oxydes d'azote) relativement grandes. Une approche pour réduire les émissions de NOx consiste à prémélanger la plus grande quantité possible d'air comprimé avec le combustible. La combustion prémélangée pauvre qui en résulte produit des températures de flamme plus basses et donc des émissions de NOx réduites. Bien que la combustion prémélangée pauvre soit plus froide que la combustion à diffusion, la température de flamme est encore trop élevée pour les composants des dispositifs de combustion conventionnels. En outre, du fait que les dispositifs de combustion améliorés prémélangent la plus grande quantité possible d'air avec le combustible pour réduire les NOx, il y a peu ou pas d'air de refroidissement disponible, ce qui rend prématuré, dans le meilleur des cas, le refroidissement par film de la chemise du dispositif de combustion et de la pièce de transition. Néanmoins, les chemises de dispositifs de combustion nécessitent un refroidissement actif pour maintenir les températures des matériaux en dessous de certaines limites. Dans les systèmes à faible émission de NOx "secs" (DLN), ce refroidissement ne peut être apporté que sous la forme d'une convection latérale froide. Ce refroidissement doit être effectué en respectant des limites de gradients thermiques et de perte de pression. On a ainsi envisagé des moyens comme des revêtements formant barrière thermique en association avec un refroidissement "postérieur" pour empêcher la chemise du dispositif de combustion et la pièce de transition d'être détruites par cette chaleur élevée. Le refroidissement postérieur implique de faire passer l'air refoulé par le compresseur sur la surface extérieure de la pièce de transition et de la chemise du dispositif de combustion avant de prémélanger l'air avec le combustible. La méthode conventionnelle pour ajouter de l'air de refroidissement ou de dilution dans un dispositif de combustion consiste simplement à percer un trou dans la paroi. Quand un trou de combustion ou de dilution est formé dans une chemise de combustion ou dans une pièce de transition, de l'air relativement froid s'engouffre dans le trou et refroidit la surface intérieure du trou. Lorsque l'on va vers des zones éloignées du trou, la température du matériau de la chemise augmente jusqu'à une valeur sensiblement plus grande. En raison des dilatations thermiques différentielles résultantes, des contraintes et déformations se développent dans le matériau de la chemise, qui peuvent être suffisamment importantes pour provoquer des criques de fatigue oligocyclique dans les chemises et les pièces de transition. La présente invention propose une douille insérée dans un trou de refroidissement ou de dilution d'une chemise ou pièce de transition de combustion destinée à agir comme isolant qui prévient le développement de grands gradients thermiques dans la pièce de transition ou dans la paroi de la chemise. Ainsi, la présente invention propose un dispositif de combustion pour turbine comprenant une chemise de dispositif de combustion, un premier manchon d'écoulement entourant la chemise de dispositif de combustion avec un premier espace annulaire d'écoulement entre eux, ledit premier manchon d'écoulement comportant une pluralité de trous de refroidissement formés autour d'une circonférence de celui-ci pour diriger de l'air de refoulement de compresseur, en tant qu'air de refroidissement, dans le premier espace annulaire d'écoulement, un corps de pièce de transition connecté à la chemise de dispositif de combustion, ledit corps de pièce de transition étant adapté pour amener les gaz de combustion chauds à la turbine, un deuxième manchon d'écoulement entourant le corps de pièce de transition, ledit deuxième manchon d'écoulement comportant une deuxième pluralité de trous de refroidissement pour diriger de l'air de refoulement de compresseur, en tant qu'air de refroidissement, dans un deuxième espace annulaire d'écoulement situé entre le deuxième manchon d'écoulement et le corps de pièce de transition, le premier espace annulaire d'écoulement se connectant au deuxième espace annulaire d'écoulement, au moins un trou de dilution dans la chemise de dispositif de combustion pour introduire de l'air de compresseur dans une chambre de combustion définie par la chemise de dispositif de combustion, et une douille logée dans au moins l'un desdits trous de refroidissement ou de dilution et fixe par rapport à celui-ci de manière à s'étendre dans ledit trou d'un côté radialement intérieur à un côté radialement extérieur de celui-ci pour définir un passage d'écoulement pour l'air de refoulement de compresseur dans ledit trou. Un intervalle d'air isolant peut être défini sur au moins une partie de la circonférence de la douille, entre ladite douille et une surface intérieure du trou. La douille peut être fixée par rapport audit trou par un évasement d'au moins une extrémité longitudinale de la douille pour définir une lèvre de retenue. Un chanfrein peut être formé autour d'au moins un bord parmi un bord radialement intérieur et un bord radialement extérieur du trou. La présente invention propose en outre un moteur à turbine comprenant une partie combustion, une partie refoulement d'air en aval de la partie combustion, une région de transition entre les parties combustion et refoulement d'air, une chemise de dispositif de combustion définissant une portion de la partie combustion et de la région de transition, un premier manchon d'écoulement entourant la chemise de dispositif de combustion avec un premier espace annulaire d'écoulement entre eux, ledit premier manchon d'écoulement comportant une pluralité de rangées de trous de refroidissement formées autour d'une circonférence du premier manchon d'écoulement pour diriger de l'air de refoulement de compresseur, en tant qu'air de refroidissement, dans le premier espace annulaire d'écoulement, un corps de pièce de transition connecté à au moins un élément parmi la chemise de dispositif de combustion et le premier manchon d'écoulement, ledit corps de pièce de transition étant adapté pour amener les gaz de combustion chauds à un étage de la turbine correspondant à la partie refoulement d'air, un deuxième manchon d'écoulement entourant le corps de pièce de transition, ledit deuxième manchon d'écoulement comportant une deuxième pluralité de rangées de trous de refroidissement pour diriger de l'air de refoulement de compresseur, en tant qu'air de refroidissement, dans un deuxième espace annulaire d'écoulement situé entre le deuxième manchon d'écoulement et le corps de pièce de transition, le premier espace annulaire d'écoulement se connectant au deuxième espace annulaire d'écoulement, au moins un trou de dilution dans la chemise de dispositif de combustion pour introduire de l'air de compresseur dans une chambre de combustion définie par la chemise de dispositif de combustion, et une douille logée dans au moins l'un desdits trous de refroidissement ou de dilution et fixe par rapport à celui-ci de manière à s'étendre dans ledit trou d'un côté radialement intérieur à un côté radialement extérieur de celui-ci pour définir un passage d'écoulement pour l'air de refoulement de compresseur dans ledit trou. La présente invention concerne aussi un procédé de refroidissement d'une région de transition entre une partie combustion comprenant une chemise de dispositif de combustion et un premier manchon d'écoulement entourant la chemise de dispositif de combustion avec un premier espace annulaire d'écoulement entre eux, ledit premier manchon d'écoulement comportant une pluralité de trous de refroidissement formés autour d'une circonférence de celui-ci pour diriger de l'air de refoulement de compresseur, en tant qu'air de refroidissement, dans le premier espace annulaire d'écoulement, et une région de transition comprenant un corps de pièce de transition connecté à la chemise de dispositif de combustion, ledit corps de pièce de transition étant adapté pour amener les gaz de combustion chauds à une turbine, un deuxième manchon d'écoulement entourant le corps de pièce de transition, ledit deuxième manchon d'écoulement comportant une deuxième pluralité de trous de refroidissement pour diriger de l'air de refoulement de compresseur, en tant qu'air de refroidissement, dans un deuxième espace annulaire d'écoulement situé entre le deuxième manchon d'écoulement et le corps de pièce de transition, le premier espace annulaire d'écoulement se connectant au deuxième espace annulaire d'écoulement, au moins un trou de dilution dans la chemise de dispositif de combustion pour introduire de l'air de compresseur dans une chambre de combustion définie par la chemise de dispositif de combustion, le procédé comprenant la mise en place d'une douille dans au moins l'un desdits trous de refroidissement ou de dilution, la fixation de la douille par rapport au trou de manière à ce qu'elle s'étende dans ledit trou d'un côté radialement intérieur à un côté radialement extérieur de celui-ci pour définir un passage d'écoulement pour l'air de refoulement de compresseur dans ledit trou, et la circulation d'air de refoulement de compresseur dans ledit trou. Au moins une extrémité longitudinale de la douille peut être gaufrée ou évasée afin de former une lèvre de retenue pour immobiliser la douille. 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 représentation schématique partielle d'une partie dispositif de combustion de turbine à gaz ; et la figure 2 est un agrandissement d'une coupe transversale d'une chemise de dispositif de combustion ou d'une pièce de transition représentant une douille isolante fournie selon un exemple de mode de réalisation de la présente invention. La figure 1 représente de façon schématique l'extrémité arrière d'un dispositif de combustion en coupe. Comme on peut le voir, dans cet exemple, une pièce de transition 12 comprend un corps de pièce de transition radialement intérieur 14 et un manchon de refroidissement de pièce de transition radialement extérieur 16, distant du corps de pièce de transition 14. En amont se trouvent la chemise de dispositif de combustion 18 et le manchon d'écoulement de dispositif de combustion 20 défini autour de celle-ci. La région encerclée est un ensemble de manchon avant de pièce de transition 22. L'écoulement provenant du compresseur de turbine à gaz (non représenté) entre dans un carter 24. Environ 50 % de l'air de refoulement du compresseur passe par des ouvertures (non représentées en détail) formées le long et autour du manchon de refroidissement de pièce de transition 16 pour circuler dans une région annulaire ou espace annulaire 26 formé entre le corps de pièce de transition 14 et le manchon de refroidissement de pièce de transition radialement extérieur 16. Les 50 % restants de l'écoulement de refoulement du compresseur passent dans des trous de manchon d'écoulement 28 du manchon d'écoulement de dispositif de combustion 20 en amont et dans un espace annulaire 30 situé entre le manchon 20 et la chemise 18 puis se mélangent à l'air de l'espace annulaire aval 26. Une partie de l'air combiné passe finalement dans des trous de dilution de la chemise de dispositif de combustion ou de la pièce de transition et se mélange aux gaz de combustion dans la chambre de combustion. La présente invention concerne l'utilisation de douilles insérées dans des trous de refroidissement ou de dilution d'une chemise de dispositif de combustion ou d'une pièce de transition. Une douille utilisée selon l'invention agit comme un isolant qui prévient le développement de grands gradients thermiques dans la pièce de transition ou dans la paroi de la chemise. Comme on l'a dit plus haut, quand un trou est formé dans la chemise de dispositif de combustion, de l'air relativement froid pénètre par ce trou. Ceci se traduit par une paroi interne relativement froide du trou en raison du passage de l'air dans le trou. Cet air froid refroidit le métal, ce qui provoque un écart thermique avec le métal chaud restant qui entoure le trou. Cet écart thermique se traduit par une fissuration par fatigue thermique et par fatigue oligocyclique dans les chemises et dans les pièces de transition. La douille utilisée selon un exemple de mode de réalisation de l'invention protège de l'air froid la paroi intérieure du trou dans le matériau de la chemise, empêchant ainsi l'apparition des grands gradients thermiques et des problèmes de fissuration qui en découlent que l'on connaît dans la structure conventionnelle. Dans un exemple de mode de réalisation de l'invention, la douille est maintenue dans la chemise par un procédé de piégeage A cet égard, si la douille est fixée par soudage, il y a un risque de fissuration ou de casse à court terme en raison des grands gradients thermiques qui se développent dans cette zone. La figure 2 est une vue agrandie en coupe d'une chemise de dispositif de combustion 18 ou d'une pièce de transition 14 comportant une douille isolante 40 mettant en oeuvre la présente invention. Comme représenté, les extrémités longitudinales de la douille sont évasées pour remplir étroitement l'espace entre le matériau métallique à un point de contact avec la douille. Dans l'exemple montré, des chanfreins 42 sont formés sur les bords des trous de la chemise. En conséquence, un intervalle d'air isolant 44 est formé entre les extrémités évasées qui définissent respectivement une lèvre de retenue 46 du côté froid de la chemise et une lèvre de retenue 48 du côté chaud de la chemise. L'intervalle d'air 44 fournit une très haute résistance thermique au transfert de chaleur entre le chemin d'écoulement froid de la douille et le trou de chemise chaud. On appréciera le fait que la lèvre de retenue extérieure 46 de la douille empêche la douille de tomber dans le dispositif de combustion et fournit une surface de la cavité isolante qui contient l'intervalle d'air 44. La lèvre de retenue intérieure 48 de la douille fournit la limite intérieure radiale de cette cavité isolante ainsi que la surface qui centre la douille par rapport au trou. Comme évoqué plus haut, la douille est gaufrée ou évasée de telle manière que la lèvre 48 est plaquée contre le chanfrein radialement intérieur 42 du trou de la chemise. Ceci permet de centrer la douille, empêche les fuites entre la douille et la chemise et empêche un mouvement qui provoquerait une usure. A noter également que dans cet exemple de mode de réalisation, la douille est en forme de selle après avoir été gaufrée ou évasée par rapport au trou en raison de la courbure de la chemise. Grâce à cette forme de selle, plus précisément la forme de selle des lèvres de retenue de la douille, la douille ne peut pas tourner dans le trou par rapport à la chemise parce que les côtés latéraux des lèvres de retenue plongent par rapport aux parties des lèvres de retenue qui sont alignées avec le grand axe de la chemise. Toutefois, on peut employer une soudure, une agrafe ou une tige de rivetage d'un côté de la lèvre de retenue extérieure 46 pour assurer davantage qu'il n'y aura pas de mouvement entre la douille 40 et la chemise. Le chanfrein peut être incorporé du côté opposé à celui qui est représenté. Ceci peut être moins durable, mais peut permettre un meilleur coefficient d'écoulement. Le matériau de la douille peut être choisi de façon à avoir un grand coefficient de dilatation thermique par rapport au matériau de la chemise, ce qui permet de plaquer la douille de façon plus étroite dans une direction radiale quand le système chauffe. Ceci n'est toutefois pas indispensable puisque la dilatation dans la direction de l'épaisseur va donner une adaptation thermique favorable et forcer le système à mieux se tenir. Les douilles peuvent être fabriquées par usinage, par mise en forme ou par moulage. En option, les douilles peuvent être refroidies si nécessaire, par exemple si elles subissent une oxydation. Ceci peut être fait en ajoutant des trous ou fentes de purge dans la chemise ou des trous ou des fentes dans la douille. Ceci permet d'aérer la cavité isolante tout en maintenant l'effet de transfert de chaleur ou de refroidissement à la chemise à un niveau très bas, de sorte que de grands gradients thermiques ne peuvent pas se développer. Bien que l'on ait représenté un évasement pour fixer la douille par rapport au trou, d'autres procédés de retenue peuvent être utilisés, comme l'emploi d'un élément de fixation fileté du côté froid (radialement extérieur) du manchon. Toutefois, cet élément de fixation serait plus coûteux que l'évasement du mode de réalisation représenté. En outre, un élément de fixation fileté n'aurait pas de fonction de centrage pour assurer un intervalle d'air approprié, comme dans le cas du procédé d'évasement décrit. La présente invention peut être employée dans n'importe quel agencement de chemise de dispositif de combustion qui nécessite des trous et où l'on prévoit de grands gradients thermiques. En plus de sa fonction isolante, la douille selon un exemple de mode de réalisation peut résoudre plusieurs autres problèmes. Par exemple, elle peut être utilisée pour dimensionner un trou de dilution de combustion d'une manière plus permanente que les rondelles ou les bouchons habituellement soudés dans les trous de dilution. Outre le fait de fournir un procédé de dimensionnement plus durable d'un trou de dilution, la douille de l'invention constitue un procédé de dimensionnement plus rapide et moins cher à mettre en oeuvre. Cette douille peut aussi être utilisée pour adapter et redimensionner des trous existants. De façon plus spécifique, on peut usiner des trous existants ayant subis des contraintes comme une fissuration, une oxydation ou phénomène similaire, puis on peut y insérer une douille adaptée et la fixer en évasant la ou les extrémité(s) longitudinale(s) respective(s) afin de redonner au trou de chemise ou de pièce de transition son diamètre d'écoulement d'origine. Comme autres modes de réalisation, on peut citer le fait de prendre une douille qui est revêtue (revêtement de barrière thermique ou de renforcement mécanique) et/ou le fait de donner à la douille une forme autre que ronde pour mettre en forme l'air entrant dans le dispositif de combustion. Par exemple, les trous formés par la douille peuvent avoir une forme autre que ronde, comme une forme oblongue ou elliptique. Ceci pourrait servir, le cas échéant, à obtenir une meilleur pénétration de l'air dans le dispositif de combustion. Comme autre variante, la douille peut être configurée pour injecter l'air dans le dispositif de combustion en formant un angle autre que perpendiculaire ou à 90 degrés avec la paroi, par exemple dans une direction aval. Liste d'éléments 12 Pièce de transition 14 Corps de pièce de transition radialement intérieur 16 Manchon de refroidissement de pièce de transition radialement extérieur 18 Chemise de dispositif de combustion 20 Manchon d'écoulement de dispositif de combustion 22 Ensemble de manchon avant de pièce de transition 24 Carter 26 Espace annulaire 28 Trous de manchon d'écoulement 30 Espace annulaire 40 Douille 42 Chanfreins 44 Intervalle d'air isolant 46 Lèvre de retenue 48 Lèvre de retenue REVENDICATIONS 1 Dispositif de combustion pour turbine comprenant : une chemise de dispositif de combustion (18) ; un premier manchon d'écoulement (20) entourant ladite chemise de dispositif de combustion avec un premier espace annulaire d'écoulement (30) entre eux, ledit premier manchon d'écoulement comportant une pluralité de trous de refroidissement (28) formés autour d'une circonférence de celui-ci pour diriger de l'air de refoulement de compresseur, en tant qu'air de refroidissement, dans ledit premier espace annulaire d'écoulement ; un corps de pièce de transition (14) connecté à ladite chemise de dispositif de combustion, ledit corps de pièce de transition étant adapté pour amener les gaz de combustion chauds à la turbine ; un deuxième manchon d'écoulement (16) entourant ledit corps de pièce de transition, ledit deuxième manchon d'écoulement comportant une deuxième pluralité de trous de refroidissement pour diriger de l'air de refoulement de compresseur, en tant qu'air de refroidissement, dans un deuxième espace annulaire d'écoulement (26) situé entre le deuxième manchon d'écoulement et le corps de pièce de transition, ledit premier espace annulaire d'écoulement se connectant audit deuxième espace annulaire d'écoulement ; au moins un trou de dilution dans ladite chemise de dispositif de combustion pour introduire de l'air de compresseur dans une chambre de combustion définie par ladite chemise de dispositif de combustion ; et une douille (40) logée dans au moins l'un desdits trous de refroidissement ou de dilution et fixe par rapport à celui-ci de manière à s'étendre dans ledit trou d'un côté radialement intérieur à un côté radialement extérieur de celui-ci pour définir un passage d'écoulement pour l'air de refoulement de compresseur dans ledit trou. 2. Dispositif de combustion selon la revendication 1, dans lequel un intervalle d'air isolant (44) est défini sur au moins une partie de la circonférence de ladite douille, entre ladite douille et une surface intérieure dudit trou. 3. Dispositif de combustion selon la revendication 1, dans lequel ladite douille (40) est fixée par rapport audit trou par un évasement d'au moins une extrémité longitudinale de la douille pour définir une lèvre de retenue (46, 48). 4. Dispositif de combustion selon la revendication 1, dans lequel un chanfrein (42) est formé autour d'au moins un bord parmi un bord radialement intérieur et un bord radialement extérieur du trou. 5. Dispositif de combustion selon la revendication 1, dans lequel la douille est globalement de section circulaire. 6. Dispositif de combustion selon la revendication 1, dans lequel le matériau de la douille a un plus grand coefficient de dilatation thermique que le matériau de la chemise de dispositif de combustion. 7. Dispositif de combustion selon la revendication 1, dans lequel la douille est évasée à chaque extrémité longitudinale (46, 48) pour centrer la douille et définir des limites radialement intérieure et extérieure pour un intervalle d'air isolant (44) défini entre la douille et la chemise. 8. Moteur à turbine comprenant : un dispositif de combustion selon la revendication 1 ; une partie refoulement d'air en aval du dispositif de combustion ; et une région de transition entre le dispositif de combustion et la partie refoulement d'air. 9. Procédé de refroidissement d'une région de transition entre une partie combustion comprenant une chemise de dispositif de combustion (18) et un premier manchon d'écoulement (20) entourant la chemise de dispositif de combustion avec un premier espace annulaire d'écoulement (30) entre eux, ledit premier manchon d'écoulement comportant une pluralité de trous de refroidissement (28) formés autour d'une circonférence de celui-ci pour diriger de l'air de refoulement de compresseur, en tant qu'air de refroidissement, dans ledit premier espace annulaire d'écoulement, et une région de transition comprenant un corps de pièce de transition (14) connecté àladite chemise de dispositif de combustion, ledit corps de pièce de transition étant adapté pour amener les gaz de combustion chauds à une turbine, un deuxième manchon d'écoulement (16) entourant ledit corps de pièce de transition, ledit deuxième manchon d'écoulement comportant une deuxième pluralité de trous de refroidissement pour diriger de l'air de refoulement de compresseur, en tant qu'air de refroidissement, dans un deuxième espace annulaire d'écoulement (26) situé entre le deuxième manchon d'écoulement et le corps de pièce de transition, ledit premier espace annulaire d'écoulement se connectant au deuxième espace annulaire d'écoulement, au moins un trou de dilution dans la chemise de dispositif de combustion pour introduire de l'air de compresseur dans une chambre de combustion définie par ladite chemise de dispositif de combustion ; le procédé comprenant : la mise en place d'une douille (40) dans au moins l'un desdits trous de refroidissement ou de dilution ; la fixation de la douille par rapport au trou de manière à ce qu'elle s'étende dans ledit trou d'un côté radialement intérieur à un côté radialement extérieur de celui-ci pour définir un passage d'écoulement pour l'air de refoulement de compresseur dans ledit trou ; et la circulation d'air de refoulement de compresseur dans ledit trou. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel au moins une extrémité longitudinale de la douille est gaufrée ou évasée afin de former une lèvre de retenue (46, 48) pour immobiliser la douille.