Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02416150 2003-O1-15
Titre de I invention
Diffuseur pour moteur à turbine à gaz terrestre ou aéronautique
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des
diffuseurs pour moteurs à turbine à gaz du type terrestre ou aéronautique.
Elle vise plus particulièrement des diffuseurs placés entre la turbine et le
carter d'échappement d'un moteur à turbine à gaz.
Les turbines à gaz terrestres ou aéronautiques ont pour fonction
de délivrer une puissance suffisamment élevée pour entraîner soit un
alternateur (dans le cas de turbines terrestres) soit un compresseur (dans
le cas de turbines aéronautiques). Pour ce faire, une turbine à gaz prélève
et transforme en énergie mécanique une p<~rtie de l'énergie des gaz
comprimés et chauds issus d'une chambre de combustion du moteur
équipée de cette turbine. Une turbine se compose généralement de
plusieurs étages, chaque étage comportant un distributeur et une roue
mobile placée derrière le distributeur et destinée à accélérer l'écoulement
des gaz. Les gaz issus du dernier étage de la turbine alimentent ensuite
un carter d'échappement.
Le carter d°échappement placé immédiatement en aval de la
turbine est constitué d'un diffuseur et de bras de carter quï ont
essentiellement pour fonction de redresser l'écoulement gazeux dans le
cas d'une sortie de turbine non axiale et de réaliser un passage d'air de
refroidissement pour les parties internes du moteur. Le diffuseur permet
de diminuer la vitesse et d'augmenter la pression des gaz issus du dernier
étage de la turbine. A cet effet, le diffuseur se compose généralement de
parois formant un passage pour les gaz qui .est divergent dans le sens
d'ëcoulement des gaz comme I illustre le brevet US 2,594,042.
II est connu qu'un carter d'échappement subit des pertes de
pression qui sont typiquement proportionnelles au carré de la vitesse des
gaz au niveau du bord d'attaque des bras de carter. A titre d'exemple,
pour une turbine terrestre, les gaz atteignent une vitesse voisine de 0,6
Mach à la sortie de ia roue mobile du dernia?r êtage de la turbine. Le
diffuseur permet d'abaisser cette vitesse à environ 0,45 Mach au niveau
du bord d'attaque des bras de carter, ce qui conduit à des pertes de
pression de l'ordre de 5%. Une vitesse des g<~z de l'ordre de 0,45 Mach
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reste toutefois une valeur élevée. En effet, la pente des parois composant
le diffuseur ne doit pas dépasser une certaine valeur car il existe un risque
d'épaississement de couches limites sur ses parois. Ces couches limites
épaisses correspondent à des zones de décollement ou décrochement qui
affectent le rendement du diffuseur. Ainsi, dans le cas de décollement sur
les parois du diffuseur, la section aérodynamique à l'aval de celui-ci est
beaucoup plus faible que la section géométrique ce qui empêche le
diffuseur d°assurer sa fonction de diffusion. Par ailleurs,
l'optimisation de
la turbine en termes de coût, de masse et: de performances conduit
généralement à des charges par étage élevées qui se traduisent par une
vitesse de plus en plus importante des gaz à la sortie du dernier étage de
la turbine.
~bj~et et résumé de l'invention
La présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients
en proposant un diffuseur pour turbine à gaz dans lequel les pertes de
pression sont sensiblement réduites.
A cet effet, il est prévu un diffuseur pour moteur à turbine à
gaz, le diffuseur étant disposé entre un dernier étage d'une turbine et.un
carter d'échappement et comprenant une paroi annulaire externe et une
paroi annulaire interne formant un passage annulaire de fluide divergent
dans le sens d'écoulement du fluide, caractérisé en ce qu'au moins l'une
des parois annulaires comporte une pluralité d°orifices s'ouvrant dans
le
passage annulaire et débouchant dans au moins un caisson de collecte
vers des moyens d°évacuation d'une partie du fluide de façon à diminuer
la vitesse d'écoulement du fluide dans le passage annulaire.
~e la sorte, les orifices pratiqués dans au moins une des parois
annulaires du diffuseur évacuent, par I°intermédiaire du caisson de
collecte, une partie du fluide traversant le passage annulaire ce qui
permet de diminuer la vitesse d'écoulement du fluide dans le passage
annulaire et donc de minimiser les pertes de pression. Tout risque
d'épaississement de couches limites sur les parois du diffuseur et de
décollement est par ailleurs éliminé. Le ou les caissons de collecte sont par
ailleurs reliés à au moins un canal d'évacuation du fluide.
Avantageusement, le diffuseur comporte en outre des moyens d'aspiration
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de façon à commander et contrôler un débit déterminé de fluide à
évacuer.
Les orifices pratiqués dans au moins une des parois annulaires
peuvent être des trous ou des fentes circulaires sensiblement
perpendiculaires à la paroi ou des trous ou des fentes circulaires
sensiblement inclinées dans le sens d'écoulement du fluide par rapport à
la paroi.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantagE,s de la présente invention
ressortiront de la descrïption faite ci-dessous, en référence aux dessins
annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout
caractère limitatif. Sur les figures
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un diffuseur
selon la présente invention ; et
- la figure ia est une vue partielle d'un second mode de
réalisation d'un diffuseur selon l'invention ; et
- la figure 2 est une vue en coupe liongitudinale d'un diffuseur
selon l'invention appliqué à un moteur à turbine à gaz aéronautique à
double flux.
Description détaillée d'un mode de réalisation
Sur 1a figure 1, on voit que le diffuseur 10 est disposé
immédiatement en aval d'une roue mobile 1~> d'un dernier étage d'une
turbine à gaz dans le sens d'écoulement (indiqué par la flèche F) d'un
fluide gazeux issu de cette turbine. Un bras de carter 14 ayant notamment
pour fonction de redresser l'écoulement gazEUx est monté en aval du
diffuseur 10.
Le diffuseur 10 comporte une paroi annulaïre externe 16a et
une paroi annulaire interne 16b de façon à former un passage annulaire
18 pour les gaz issus de la turbine. Les parois 16a, 16b sont arrangées de
sorte que le passage annulaire 18 soit divergent dans le sens
d'écoulement gazeux F de façon à diminuer la vitesse d'écoulement et
d'augmenter la pression des gaz le traversant. La paroi externe 16a est
divergente tandis que la paroi interne 16b est sensiblement parallèle à un
axe (non représenté) du moteur équipé de ce diffuseur. On peut aussi
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envisager que la paroi interne 16b soit divergente et la paroi externe 16a
paralléle à cet axe du moteur.
Selon l'invention, le diffuseur 10 présente, au niveau de sa paroi
annulaire externe 16a et/ou de sa paroi interne 16b, une pluralité
d'orifices 20 s'ouvrant dans le passage annulaire 18 et débouchant dans
au moins un caisson 22 de collecte vers des moyens d'évacuation d'une
partie des gaz traversant ce passage annulaire.
Sur la figure 1, seule la paroi externe 16a est équipée d'orifices
20. Les orifices 20 représentés sont des trous sensiblement inclinés dans
le sens d'écoulement F des gaz par rapport à la paroi externe 16a. On
peut aussi envisager que les orifices 20 soient des trous sensiblement
perpendiculaires à la paroi externe 16a et/ou de sa paroi interne 16b
(figure 2).
Selon une seconde variante illustrée par la figure 1a, les orifices
20 peuvent étre formés de plusieurs fentes circulaires s°étendant selon
un
secteur angulaire de la paroi externe 16a. Ces fentes peuvent également
être sensiblement perpendiculaires ou sensiblement inclinées dans le sens
d°écoulement F des gaz par rapport à la paroi externe 16a.
Selon encore une autre variante non représentée, les orifices 20
peuvent être composés d'une ou de plusieurs fentes de type « écope »
dont les parois amont et aval sont décalées radialement. Ce type de fentes
à chanfrein permet de réaliser un meilleur guidage des gaz dirigés vers les
moyens d'évacuation.
II peut ëtre prévu un unique caissa~n annulaire 22 de collecte
des gaz à évacuer pour tous les orifices 20 ou bien un caisson, par
exemple de forme cylindrique, par orifice 20 (ooa pour plusieurs orifices) de
façon à assurer une meilleure homogénéité du débit des gaz à évacuer.
Le ou les caissons 22 de collecte de gaz sont de préférence
reliés â au moins un canal d'évacuation 24 des gaz. Un seul ou plusieurs
canaux d'évacuation 24 peuvent être prévus par caisson 22. Dans le cas
où c'est la paroi interne 16b du diffuseur qui e:àt munie d'orifices 20, le ou
les canaux 24 peuvent par exemple passer par le bras de carter 14 pour
évacuer les gaz vers I°extérieur du diffuseur.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le
diffuseur comporte en outre des mayens d'aspiration 26 de la partie des
gaz à évacuer. Ces moyens d'aspiration 26 peuvent être composés d'une
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vanne de pilotage, d'une pompe, d'un compresseur ou de tout autre
systéme permettant d'aspirer un débit voulu de gaz. Ainsi, il est possible
de commander et de contr~ler un débit détermüné de gaz à évacuer.
Toutefois, si un tel contrôle du débit des gaz à évacuer ne
5 s°avère pas nécessaire, les gaz traversant les orifices 20 pratiqués
dans la
paroi externe 16a et/ou la paroi interne 16b peuvent déboucher
directement à l'extérieur du diffuseur sans passer par des caissons et des
canaux d'évacuation. En effet, dans ce cas, ia seule différence de pression
des gaz entre le passage annulaire 18 et l'extérieur du diffuseur permet
tout de même d'aspirer les gaz au travers des orifices 20.
La figure 2 représente un diffuseur selon l'invention appliqué à
un moteur à turbine à gaz aéronautique à double flux. Le diffuseur 10 est
disposé immédiatement en aval d'une roue mobile 12 d'un dernier étage
d'une turbine à gaz. Les parois externe 16a et interne 16b de ce diffuseur
définissent un premier passage annulaire divergent 18 pour les gaz issus
de la turbine. Ce premier passage 18 est communément appelé e< flux
chaud ». Une paroi supplémentaire 16c disposée coaxialement aux parois
16a, 16b du diffuseur permet de définir un second passage annulaire 28
pour l'air aspiré par la soufflante (non représentée) du moteur. Ce second
passage 28 est désigné comme étant le « flux froid ».
Selon I°invention, la paroi interne ~.6b présente une pluralité
d'orifices 20 s'ouvrant dans le premier passage annulaire 18 et
débouchant dans au moins un caisson 22 de collecte relié à au moins un
canal d'évacuation 24 des gaz. Le ou les canai.sx d'évacuation 24 passent
le bras de carter 14 monté dans le premier passage annulaire 18 et par un
bras de carter 30 monté dans le second passage annulaire 28. Le diffuseur
peut comporter en outre des moyens d'aspiration 26 de la partie des gaz à
évacuer.
