Brevet FR2978980A1 — publié le 20130215

ROTOR DE TURBINE A GAZ AVEC AUBES DE PURGE CONTEXTE La présente demande concerne les rotors destinés à être utilisés dans des turbines à gaz, où des aubes de purge génèrent une pression pour résister à l'ingestion des gaz chauds. Les turbines à gaz sont connues et comprennent typiquement un compresseur compressant l'air, et délivrant l'air dans une section de combustion. L'air est mélangé avec le combustible et brûlé dans la section de combustion. Les produits de cette combustion passent en aval sur les rotors de turbine. Les rotors de turbine peuvent comprendre un rotor avec des aubes amovibles. En variante, les rotors à aubes intégrées dans lesquels le rotor et les aubes sont formés d'un seul tenant, sont également connus. En plus du flux des produits de combustion chauds sur les rotors de turbine, l'air froid est également délivré. L'air froid sert à refroidir le rotor et les aubes, étant donné qu'ils fonctionnent à une température très élevée. De plus, un autre but de l'air froid est de fournir un flux de « purge » qui résiste à l'ingestion des produits de combustion chauds dans la zone de l'interface du rotor et de l'aube. A titre d'exemple, dans un type d'aube amovible, un dénommé « pied en sapin » (« fir-free » en anglais) comprend une pluralité de segments qui sont insérés dans des rainures à pied de sapin correspondantes dans le rotor. L'aube est maintenue dans le disque par des caractéristiques de blocage telles qu'une pince ou un rivet. Cependant, parfois, si les produits de combustion de gaz chauds sont ingérés dans la zone du pied en sapin, les défis peuvent être plus importants. A titre d'exemple, une préoccupation connue sous le terme de glissement d'aube et de disque se produit lorsqu'il y a une déformation plastique de l'aube et du disque. Ceci peut se produire s'ils sont soumis à des températures supérieures à la capacité de résistance de fluage du matériau. Une autre préoccupation est la dénommée « dislocation axiale de l'aube » (« blade walking » en anglais). La dislocation axiale de l'aube se produit typiquement au démarrage de la turbine à gaz lorsqu'il peut ne pas y avoir suffisamment d'air de refroidissement. L'aube chauffe plus rapidement que le rotor, et donc l'aube peut se déplacer axialement à l'intérieur des rainures dans le rotor. Ceci se produit étant donné que la différence de gradient thermique entre le disque et l'aube au niveau du pied en 1 sapin donne lieu à des forces qui viennent à bout de la résistance de la caractéristique de blocage les maintenant ensemble. Par conséquent, le mouvement relatif entre le disque et l'aube a lieu. Ceci est connu sous le terme de dislocation axiale de l'aube. Les deux occurrences ci-dessus sont indésirables. RESUME Un rotor pour une turbine à gaz comprend une pluralité d'aubes de turbine s'étendant radialement vers l'extérieur d'un corps de rotor centré autour d'un axe central. Une pluralité d'aubes de purge sont positionnées pour tourner avec le corps de rotor et pour entraîner l'air radialement vers l'extérieur vers les aubes de turbine. Avantageusement, les aubes de turbine sont amovibles dudit corps de rotor. Les aubes de turbine peuvent avoir des pieds en sapin qui sont reçus dans des rainures correspondantes dans ledit corps de rotor et lesdites aubes de purge peuvent être positionnées à une distance radiale desdites rainures sur ledit rotor. Selon un aspect, le corps de rotor et lesdites aubes de turbine font partie d'un rotor à aubes intégrées, et le corps de rotor peut inclure des fentes de détente des contraintes, qui peuvent s'étendre à partir d'une lèvre dudit corps de rotor dans une position radialement vers l'extérieur desdites aubes de purge. Avantageusement, les fentes de détente des contraintes s'étendent sur toute une 20 longueur axiale dudit rotor, et à partir d'une partie avant dudit rotor jusqu'à une partie arrière dudit rotor. Les dimensions desdites aubes de purge peuvent être conçues pour garantir que la pression adéquate s'écoule à partir desdites aubes de purge afin de résister à l'ingestion de gaz chauds. 25 Avantageusement, les aubes de purge ont un côté incurvé afin de créer un flux d'air. Le côté incurvé peut être incurvé dans la direction de rotation du rotor. Dans un mode de réalisation, le côté incurvé est incurvé à distance de la direction de rotation du rotor. Les aubes de purge peuvent avoir une surface généralement trapézoïdale orientée 30 vers l'extérieur. Les aubes de purge peuvent être positionnées sur un côté en aval dudit rotor. Alternativement, les aubes de purge peuvent être positionnées sur un côté en amont dudit rotor. 2 Les dimensions desdites aubes de purge peuvent être sélectionnées pour garantir qu'un débit d'air généré par les aubes de purge est suffisant pour amener une pression à résister au flux de gaz chauds radialement vers l'intérieur, et à la zone de l'aube de purge. L'invention concerne en outre un procédé pour concevoir des aubes de purge à associer avec un rotor dans un rotor de turbine destiné à être utilisé dans une turbine à gaz comprenant les étapes consistant à : (a) identifier une pression PT-flowfield_Max vers l'extérieur d'un emplacement pour les aubes de purge sur un rotor de turbine , et identifier une augmentation de 10 pression minimum nécessaire de sorte que les aubes de purge augmentent une pression de cavité de bord PT_Cavity de sorte que PT-Cavity ? PT-flowfield_Max ; et (b) identifier les dimensions d'aube de purge pour garantir que l'augmentation de pression de cavité de bord a lieu. Avantageusement, les aubes de purge ont un côté droit. 15 Alternativement, les aubes de purge peuvent avoir un côté incurvé. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 représente une section de turbine dans une turbine à gaz. La figure 2 représente un détail d'un rotor de turbine. 20 La figure 3A représente une aube de purge. La figure 3B représente un autre détail de l'aube de la figure 3A. La figure 4 représente un autre mode de réalisation. La figure 5 est un organigramme. 25 DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 décrit une section de turbine 20. Comme représenté, un rotor 22 est positionné de manière adjacente à une série de pales 24. L'aube de turbine 26 a un raccordement à pied en sapin 28 reçu à l'intérieur d'une rainure dans le rotor 22. Comme représenté, on trouve un flux de gaz de combustible F qui se déplace sur 30 les aubes de turbine 26, les entraînant en rotation avec le rotor 22. Ce flux est extrêmement chaud. Afin de résister à l'ingestion de ce flux de gaz chauds dans la zone du pied en sapin 28, des flux d'air de refroidissement C sont également fournis à la fois au niveau de l'extrémité amont et de l'extrémité aval du rotor 22. 3 Si l'on prévoit un flux d'air de refroidissement insuffisant pour purger ou résister au flux de gaz chauds, alors le glissement de l'aube et la dislocation axiale de l'aube peuvent se produire. D'autre part, trop de flux d'air de refroidissement diminue l'efficacité de toute la turbine à gaz. Ainsi, il est souhaitable d'optimiser la quantité de flux d'air, tout en garantissant qu'elle est suffisante pour empêcher l'ingestion des gaz chauds. La figure 2 représente un mode de réalisation dans lequel le rotor 22 a des rainures 31 s'adaptant avec les pieds en sapin 28. Egalement comme représenté, les aubes de purge 32, 132, 232 sont formées sur le rotor et à l'intérieur d'une étendue radiale des rainures 31. L'aube de purge fait partie d'un bord de disque de turbine. Les aubes de purge 32, 132, 232 sont formées sur l'extrémité en aval du rotor 22, bien qu'elles peuvent également être utilisées sur l'extrémité en amont, si nécessaire. La figure 3A représente un détail d'une aube de purge 32. Comme représenté, l'aube de purge 32 a une face externe qui est généralement trapézoïdale, avec des côtés coudés 35 s'étendant entre une partie supérieure 36 et un fond plus grand 34. Les côtés 35 fournissent un profil d'aube de purge qui sert à déplacer l'air lorsque le rotor 22 tourne. Comme représenté, l'aube de purge 32 reste à distance de la face nominale du rotor 22 selon une distance h, et comme représenté au numéro de référence 38. De plus, les côtés 40 s'étendent sur une longueur L. Un rayon Ro à partir d'un axe médian de la turbine à gaz vers la partie supérieure 38 de l'aube est défini, alors qu'un autre rayon R; est défini vers la face inférieure 34. Comme représenté sur la figure 3B, l'aube de purge 32 peut vraiment s'étendre à partir du rotor 22 avec un rayon R. Pour les buts de cette demande, la forme de l'aube de purge peut être définie comme étant « trapézoïdale ». Cependant, comme représenté sur la figure 3B, les coins C de la forme trapézoïdale peuvent être arrondis. Cette forme est encore connue sous le terme de « trapézoïdale » pour les buts d'interprétation de la présente demande. Les dimensions de l'aube sont conçues pour garantir que le flux d'air suffisant est généré afin de résister à l'ingestion de l'air chaud dans la zone du pied en sapin mais 30 n'utilise pas de quantité excessive. Comme cela ressort clairement, l'aube de purge 232 peut être balayée vers l'avant, ou dans la direction de rotation w, ou peut être balayée vers l'arrière, comme représenté au numéro de référence 132, ou en sens inverse de la direction de rotation. 4 2978980 Pour empêcher l'ingestion de gaz chauds, la partie suivante doit être satisfaite (voir la figure 1) PT-cavity 2 PT-flowfield-Max où : PT-cavity = pression totale de la cavité du bord du disque 5 PT-flowfleld-Max = pression totale maximum du champ d'écoulement au-dessus de la plateforme d'aube. Il est souhaitable que la pression vers l'extérieur des aubes de purge soit supérieure à la pression dans le flux de gaz chauds F à l'emplacement des aubes de purge. Ainsi, le débit massique est choisi pour garantir cette pression supplémentaire. 10 Pour calculer le changement de pression, on applique la formule suivante : ni=p2uR2hW où : W = vitesse de l'air de refroidissement par rapport à l'aube de purge p = densité de l'air 15 R2 est le rayon externe du volume de contrôle (aube de purge à l'extérieur du rayon) h est la hauteur de l'aube de purge L est la longueur de l'aube de purge. 20 La pression de la cavité de bord de disque à la sortie du volume de contrôle, PT-cavity, est égale à la pression à l'entrée du volume de contrôle plus l'augmentation de pression, Op, due à l'énergie transférée de l'aube de purge à l'air. Elle peut être simplement exprimée de la manière suivante : F z x z Op 2gc[Uz -U1]+ P2gc[Vzi -V1] 25 où : U; = vitesse périphérique du disque de turbine à R2 et RI (rayons externe et interne de l'aube de purge) V; = vitesse périphérique de l'air à R2 et RI (rayons externe et interne de l'aube de purge) P[u_u 30c z i , le premier terme de l'équation ci-dessus, représente l'augmentation de la pression statique due à l'effet centrifuge agissant sur l'air. 5 gP [v; - Vz z , le second terme de l'équation ci-dessus représente l'augmentation de l'énergie cinétique due au transfert d'énergie de l'aube de purge à l'air. Les dimensions peuvent donc être sélectionnées pour obtenir l'augmentation de pression adéquate à partir des aubes de purge afin de résister à l'ingestion des gaz de combustion chauds. La figure 4 représente un mode de réalisation 60, dans lequel l'aube de purge 62 est incorporée dans un rotor à aubes intégrées. Comme représenté, l'aube de purge 62 a une face latérale incurvée 64. La fente de détente des contraintes 66 est formée à partir d'une lèvre du rotor 65 vers le bas jusqu'à une surface supérieure 68 de l'aube. Des calculs similaires sont utilisés pour définir la taille et la forme des aubes. La fente 66 peut s'étendre à travers toute l'épaisseur du bord de disque, de l'avant vers l'arrière. La figure 5 est un organigramme d'un procédé pour concevoir les dimensions de l'aube de purge. Tout d'abord, à l'étape 100, on réalise une analyse de dynamique des fluides d'une trajectoire de flux de gaz pour un moteur qui doit comprendre cette aube et ce rotor. A partir de cette analyse, l'homme du métier saura comment réaliser un coefficient de transfert de chaleur et les conditions de flux de gaz comprenant la pression, la vitesse et la température sont déterminées. Ensuite, à l'étape 102, on réalise une analyse transitoire d'air secondaire. Ceci comprend une analyse du flux d'air de refroidissement. A partir de cette analyse transitoire d'air secondaire, on identifie une température du métal associé à l'aube et au rotor, la température de l'air de compartiment et les débits. A l'étape 103, on réalise une analyse structurelle de l'ensemble de turbine, comprenant le disque ou le rotor et les aubes. Les charges thermique et mécanique transitoires sont analysées. A partir de cela, à l'étape 104, on réalise une analyse de la durée de vie du disque ou du rotor et de l'aube, comprenant la prise en considération de l'oxydation, du fluage, de la corrosion à chaud et la fatigue oligocyclique (LCF, de l'anglais « low cycle fatigue »). A l'étape 105, une analyse de quantité de flux d'air secondaire nécessaire pour augmenter la pression de la cavité de bord afin de satisfaire l'équation posée ci-dessus au paragraphe 20 est réalisée. En particulier, après certaines des étapes, l'organigramme revient à l'étape 102 pour réaliser à nouveau cette analyse et fournir une meilleure information d'écoulement en aval. 6 A l'étape 106, l'analyse des dimensions de l'aube de purge comprenant ses différentes dimensions et utilisant les paragraphes 21 et 22, est réalisée. Finalement, une analyse d'intégrité structurelle et d'enveloppe est réalisée à l'étape 107 après que les dimensions d'aube de purge ont été analysées. Bien que les modes de réalisation de la présente invention aient été décrits, l'homme du métier reconnaîtra que certaines modifications se trouvent dans la portée de la présente invention. Pour cette raison, les revendications suivantes doivent être étudiées pour déterminer la véritable portée et le véritable contenu de la présente invention. 7 REVENDICATIONS1. Rotor (22 ; 60) pour une turbine à gaz comprenant : un corps de rotor centré autour d'un axe central ; une pluralité d'aubes de turbine (26) s'étendant radialement vers l'extérieur dudit corps de rotor ; et une pluralité d'aubes de purge (32, 132, 232 ; 62) pour tourner avec ledit corps de rotor, et pour entraîner l'air radialement vers l'extérieur vers les aubes de turbine (26). 10 2. Rotor (22) selon la revendication 1, dans lequel lesdites aubes de turbine (26) sont amovibles dudit corps de rotor. 3. Rotor (22) selon la revendication 2, dans lequel lesdites aubes de 15 turbine (26) ont des pieds en sapin (28) qui sont reçus dans des rainures (31) correspondantes dans ledit corps de rotor et lesdites aubes de purge (32, 132, 232) sont positionnées à une distance radiale desdites rainures (31) sur ledit rotor (22). 4. Rotor (60) selon la revendication 1, dans lequel ledit corps de rotor et 20 lesdites aubes de turbine (26) font partie d'un rotor à aubes intégrées. 5. Rotor (60) selon la revendication 4, dans lequel des fentes de détente des contraintes (68) sont incluses. 25 6. Rotor (60) selon la revendication 5, dans lequel lesdites fentes de détente des contraintes (68) s'étendent à partir d'une lèvre (65) dudit corps de rotor dans une position radialement vers l'extérieur desdites aubes de purge (62). 7. Rotor (60) selon la revendication 5 ou 6, dans lequel lesdites fentes de 30 détente des contraintes (68) s'étendent sur toute une longueur axiale dudit rotor (60), et à partir d'une partie avant dudit rotor (60) jusqu'à une partie arrière dudit rotor (60). 8. Rotor (22 ; 60) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les dimensions desdites aubes de purge (32, 132, 232 ; 62) sont conçues pour 8 garantir que la pression adéquate s'écoule à partir desdites aubes de purge (32, 132, 232 ; 62) afin de résister à l'ingestion de gaz chauds. 9. Rotor (22) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites aubes de purge (132, 232) ont un côté incurvé afin de créer un flux d'air. 10. Rotor (22) selon la revendication 9, dans lequel ledit côté incurvé est incurvé dans la direction de rotation du rotor (22). 11. Rotor (22) selon la revendication 9, dans lequel ledit côté incurvé est incurvé à distance de la direction de rotation du rotor (22). 12. Rotor (22) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel lesdites aubes de purge (32) ont une surface généralement trapézoïdale orientée vers l'extérieur. 13. Rotor (22 ; 60) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites aubes de purge (32, 132, 232 ; 62) sont positionnées sur un côté en aval dudit rotor (22 ; 60). 14. Rotor (22 ; 60) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel lesdites aubes de purge (32, 132, 232 ; 62) sont positionnées sur un côté en amont dudit rotor (22 ; 60). 25 15. Rotor (22, 60) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les dimensions desdites aubes de purge (32, 132, 232 ; 62) sont sélectionnées pour garantir qu'un débit d'air généré par les aubes de purge (32, 132, 232 ; 62) est suffisant pour amener une pression à résister au flux de gaz chauds radialement vers l'intérieur, et à la zone de l'aube de purge (32, 132, 232 ; 62). 30 16. Procédé pour concevoir des aubes de purge (32, 132, 232 ; 62) à associer avec un rotor (22 ; 60) dans un rotor de turbine destiné à être utilisé dans une turbine à gaz comprenant les étapes consistant à : 9(a) identifier une pression PT-flowfield-Max vers l'extérieur d'un emplacement pour les aubes de purge (32, 132, 232 ; 62) sur un rotor de turbine (22 ; 60), et identifier une augmentation de pression minimum nécessaire de sorte que les aubes de purge (32, 132, 232 ; 62) augmentent une pression de cavité de bord PT-Cavity de sorte que PT-Cavity ~ PT-flowfield-Max ; et (b) identifier les dimensions d'aube de purge pour garantir que l'augmentation de pression de cavité de bord a lieu. 17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel lesdites aubes de purge (32 ; 62) ont un côté droit. 18. Procédé selon la revendication 16, dans lequel lesdites aubes de purge (132, 232) ont un côté incurvé. 10