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CA 02444862 2003-10-16
WO 02/086291 PCT/FR02/01325
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AUBE POUR TURBINE COMPORTANT UN DEFLECTEUR D'AIR DE REFROIDISSEMENT
DESCRIPTION
Domainé technique
La présente invention concerne une aube
pour turbine, l'aube étant rapportée sur un disque de
la turbine et étant refroidie par une circulation
interne d'air.
Etat de la technique antérieure
Un étage de turbine axiale est composé
d'une grille d'aubes fixes appelée distributeur et
d'une grille d'aubes mobiles appelée roue. Il existe
des roues monoblocs où aubes et disque forment une
pièce unique. Il existe aussi des roues à aubes
rapportées où aubes et disque sont assemblés
mécaniquement, généralement par pieds de sapin.
Lorsque les roues fonctionnent sous une
température élevée, il est nécessaire de refroidir les
aubes. Ce refroidissement peut être effectué par de
l'air prélevé par exemple à la sortie du compresseur et
acheminé à l'intérieur des aubes à travers -leur
fixation au disque. L'air de refroidissement pénètre
par le pied d'une aube pour ressortir par exemple par
l'extrémité opposée et par l'une de ses faces.
La figure lA est une vue partielle d'une
aube 1 montée sur un disque 2, la vue étant représentée
dans un plan perpendiculaire à l'axe de la turbine.
Elle montre plus précisément le pied 3 de l'aube 1 en
position dans une alvéole 4 du disque 2. Le pied est
montré en coupe selon l'axe d'un canal 5 amenant l'air
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de refroidissement depuis le fond de l'alvéole 4
jusqu'au circuit de refroidissement interne et non
représenté de l'aube. L'air de refroidissement circule
dans l'alvéole 4 dans une direction perpendiculaire au
plan de la figure. Dans l'exemple représenté, l'air est
introduit par une extrémité de l'alvéole, correspondant
à une face du disque dite face amont, et remonte dans
le canal (ou les canaux) 5, l'autre extrémité de
l'alvéole, correspondant à l'autre face du disque ou
face aval, étant obturée.
L'air de refroidissement prélevé à la
sortie du compresseur est injecté au travers d'un
flasque plaqué contre la face amont du disque pour
assurer l'étanchéité du circuit d'air. Pour ce faire,
le flasque est souvent maintenu sur le disque par un
système de crochets appelés crabots.
Les crochets assurent également une autre
fonction. Ils donnent à l'air de refroidissement se
dirigeant vers les alvéoles une vitesse de rotation
égale à celle du rotor de la turbine. L'air de
refroidissement arrive alors devant l'alvéole en
tournant à la même vitesse qu'elle et entre à
l'intérieur de l'alvéole sans effets secondaires.
Ces crochets ont cependant l'inconvénient
d'être coûteux et d'avoir une relativement faible durée
de vie. Il serait donc intéressant de pouvoir les
supprimer. Cependant, des essais ont montré que le
refroidissement des aubes de turbines est moins assuré
lorsque ces crochets sont supprimés.
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Le document WO-A-99 47792 divulgue une aube
pour turbine, l'aube présentant un pied permettant de
la rapporter dans une alvéole d'un disque de la
turbine. L'aube possède un circuit interne de
refroidissement par air comprenant des moyens d!entrée
d'air situés sur le pied de l'aube et en regard de
l'alvéole, et des moyens de sortie d'air. Le pied de
l'aube est pourvu d'un dispositif permettant de
canaliser l'air de refroidissement de l'aube. Ce
dispositif permet également l'évacuation de l'air de
refroidissement après son passage à l'intérieur de
l'aube. Le dispositif assure la séparation des circuits
d'air de refroidissement entrant dans l'aube et sortant
de l'aube.
Le document GB-A-1 605 282 divulgue une
aube pour turbine, l'aube présentant un pied permettant
de la rapporter dans une alvéole d'un disque de la
turbine. L'aube possède un circuit interne de
refroidissement par air constitué par des canaux,
comprenant des moyens d'entrée d'air situés sur le pied
de 1'aube et en regard de l'alvéole, et des moyens de
sortie d'air situés en extrémité d'aube. Le pied de
l'aube est pourvu d'un tube de refroidissement
permettant d'amener l'air de refroidissement depuis le
collecteur d'air d'aspiration jusqu'aux entrées d'air.
Le document US-A-4 348 157 divulgue une aube
pour turbine, rapportée sur un disque au moyen d'un
pied. L'aube possède un circuit interne de
refroidissement par air comprenant un orifice d'entrée
d'air. L'orifice d'entrée d'air n'est pas situé sur le
pied de l'aube et en regard de l'alvéole de réception
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de ce pied mais dans la partie de liaison entre le pied
et l'aube, c'est-à-dire dans la jambe. Des passages
sont prévus pour amener l'air de refroidissement
jusqu'aux entrées d'air des aubes. Ces passages peuvent
comprendre des déflecteurs.
Le document US-A-4 178 129 divulgue un système
de refroidissement d'aubes de turbine par circulation
d'air. Chaque aube présente un pied permettant de la
rapporter dans une alvéole d'un disque de la turbine.
L'aube possède un circuit interne den refroidissement
par air comprenant des moyens d'entrée d'air situés sur
le pied de l'aube. L'air de refroidissement est envoyé
soit dans une chambre d'alimentation en air de
refroidissement dans laquelle débouche les canaux de
refroidissement, soit directement dans le canal de bord
d'attaque par l'intermédiaire d'un receveur de Pitot.
Concernant le document WO-A-99 47792 cité ci-
dessus, l'air de refroidissement arrivant est amené par
un dispositif en forme de tube communiquant avec les
orifices des canaux de refroidissement. Le dispositif
en forme de tube peut avoir des orifices de taille
adaptée aux orifices des canaux ou des orifices
correspondant pratiquement à la largeur de l'alvéole.
Dans les deux cas, on ne peut éviter la formation d'un
tourbillon.
Concernant le document GB-A-1 605 282 cité ci-
dessus, il est prévu un tube de refroidissement d'air
adapté à la largeur de l'alvéole. On ne peut donc
éviter la formation d'un tourbillon.
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Concernant le document US-A-4 348 157 cité ci-
dessus, l'air arrive directement sur une face percée
d'un trou, ce qui conduit à la même conclusion.
Concernant le document US-A-4 178 129 cité ci-
5 dessus, l'air arrive soit directement dans un trou (par
un receveur de Pitot), soit directement sur une face
percée de trous, ce qui conduit à la même conclusion.
Exposé de l'invention
Il revient aux inventeurs de la présente
invention d'avoir découvert la raison d'une moins
grande efficacité du refroidissement lorsque les
crochets ou crabots sont supprimés et d'avoir apporté
une solution à ce problème.
La figure 1B permet d'illustrer le
phénomène provoquant une perte d'efficacité du
refroidissement des aubes. Cette figure est une vue de
la face inférieure du pied 3 et portant la référence 6
sur la figure lA. Le canal (ou les canaux) 5 n'a pas
été représenté. Le flasque plaqué contre la face amont
du disque est figuré sous la référence 7. Sous la
référence 8 a été figuré un flasque d'obturation de
l'alvéole, côté face aval du disque.
Les inventeurs sont arrivés à la conclusion
que, quand l'air n'est plus guidé jusqu'à l'alvéole,
l'air de refroidissement arrive dans l'alvéole avec une
vitesse de rotation plus faible que lorsqu'il est
guidé. L'air est alors écopé et tournoie dans l'alvéole
en formant un tourbillon comme cela est figuré sur la
figure 1B. Le centre de ce tourbillon (ou vortex) est
un creux de pression très important qui est
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préjudiciable pour l'alimentation de l'aube en air de
refroidissement.
La présente invention permet de remédier à
ce problème chaque fois qu'il se présente dans une
turbine.
Elle a pour objet une aube pour turbine,
l'aube présentant un pied permettant de la rapporter
dans une alvéole d'un disque de la turbine, l'aube
possédant un circuit interne de refroidissèinent par air..
comprenant des moyens d'entrée d'air situés~ sur izne
face du pied de l'aube et en regard de ladite alvéole,
et des moyens de sortie d'air, caractérisée en ce que
ladite face du piéd de l'aube est équipée d'un
déflecteur comportant au moins une ailette permettant
de canaliser l'air de refroidissement circulant dans le
fond de l'alvéole pour régulariser l'écoulement d'air
vers les moyens d'entrée d'air.
La présence d'un tel déflecteur sur la face
du pied de l'aube où sont situés les moyens d'entrée
d'air permet d'éviter la formation d'un tourbillon.
Le déflecteurpeut faire partie intégrante
de l'aube.
Le déflecteur peut être un élément rapporté
sur le pied de l'aube et pourvu de moyens d'accès aux
moyens d'entrée d'air. Les moyens d'accès peuvent
comprendre au moins un trou calibré.
L'ailette peut être droite ou inclinée par
rapport à l'axe général de l'aube.
Selon un mode de réalisation avantageux, le
déflecteur comprend au moins une ailette permettant de
canaliser l'air de refroidissement pénétrant dans
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l'alvéole et au moins une ailette permettant de
canaliser de l'air refoulé vers le centre de l'alvéole.
Brève description des dessins
L'invention sera mieux comprise et d'autres
avantages et particularités apparaîtront à la lecture
de la description qui va suivre, donnée à titre
d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins
annexés parmi lesquels
- la figure 1A, déjà décrite, est une vue
partielle d'une aube pour turbine, montée sur un
disque, selon l'art connu,
- la figure 1B, déjà décrite, est une vue
de la face inférieure d'un pied d'aube pour turbine,
selon l'art connu,
- la figure 2A est une vue d'une aube pour
turbine, montée sur un disque, selon l'invention,
- la figure 2B est une vue de la face
inférieure d'un pied d'aube pour turbine, selon
l'invention,
- la figure 3 est une vue en perspective
d'un déflecteur utilisé par la présente invention,
- la figure 4 est une vue partielle en
coupe d'une turbine équipée d'une aube selon
l'invention,
- les figures 5 et 6 sont des vues de
dessous de déflecteurs utilisables par la présente
invention,
- les figures 7 à 10 sont des vues
transversales et en coupe de différents déflecteurs
utilisables par la présente invention.
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Description détaillée de modes de réalisation de
l'invention
La figure 2A est une vue d'une aube 11 selon
l'invention et montée sur un disque 12, la vue étant
représentée dans un plan perpendiculaire à l'axe de la
turbine comme pour la figure lA. Le pied 13 de l'aube 11
est en position dans une alvéole 14 du disque 12. Le pied
est montré en coupe selon l'axe d'un canal 15 amenant
l'air de refroidissement depuis le fond de l'alvéole 14
jusqu'au circuit de refroidissement interne et non
représenté de l'aube. La circulation de l'air dans
l'alvéole se fait comme cela est décrit précédemment pour
la figure lA.
A la différence de l'aube décrite dans la
figure lA, l'aube de la figure 2A est équipée d'un
déflecteur 20 solidaire de la face inférieure 16 du pied
d'aube. Le déflecteur 20 comporte des ailettes permettant
de canaliser l'air de refroidissement circulant dans le
fond de l'alvéole 14. La figure 2A montre que le
déflecteur présente un trou 21 en correspondance avec le
canal 15 et servant de moyens d'accès au canal pour l'air
de refroidissement. Ce trou peut être un trou calibré
dont la réalisation est aisée à obtenir sur une pièce
telle qu'un déflecteur rapporté.
La figure 2B, correspondant à la figure 1B pour
l'art antérieur, montre par des flèches de quelle manière
est canalisé l'air de refroidissement au fond de
l'alvéole, entre les flasques 17 et 18 du disque 12. Sur
cette figure, le déflecteur est équipé de deux
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ailettes 22 et 23 situées de part et d'autre de l'axe
d'alignement des trous 21. Les ailettes sont agencées
de façon à former une espèce de chicane. On peut
remarquer également que le déflecteur représenté
possède quatre trous pour le passage de l'air de
refroidissement.
La présence d'un déflecteur en face
inférieure du pied de l'aube permet d'éviter la
formation d'un tourbillon et la manifestation d'un
creux de pression.
Le déflecteur peut être une pièce rapportée
par soudage ou brasage sur le pied d'aube. En variante,
le déflecteur peut faire partie intégrante de l'aube.
La figure 3 est une vue en perspective du
déflecteur 20 mentionné précédemment. Cette figure
permet de mieux voir les ailettes 22 et 23 ainsi que
les trous 21.
La figure 4 est une vue partielle en coupe
d'une turbine équipée d'une aube selon l'invention. La
figure 4 montre une aube il équipée d'un déflecteur 20
et montée dans une alvéole 14 du disque 12. Cette
figure permet de voir également le flasque 17 plaqué
contre la face amont du disque 12 et le flasque 18
d'obturation de l'alvéole.
L'air de refroidissement est prélevé en
fond de chambre et accéléré à travers une série
d'injecteurs tel que l'injecteur 31. Cet air passe
ensuite au travers detrous, tels que le trou 32,
percés sur le flasque 17 et remonte vers les fonds des
alvéoles comme cela est indiqué par des flèches sur la
figure 4. En traits interrompus, on a représenté les
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crochets ou crabots que l'invention permet de
supprimer.
Les figures 5 et 6 montrent, en position
sur la face inférieure d'un pied d'aube, d'autres
5 formes de déflecteurs utilisables par la présente
invention.
Sur la figure 5, le déflecteur 40 comporte
deux ailettes 41 et 42 présentes sur toute la longueur
du déflecteur. Des trous 43 d'accès aux canaux des
10 aubes sont également représentés.
Sur la figure 6, le déflecteur 50 comporte
une première série d'ailettes 51 et 53, situées d'un
côté du déflecteur, et une deuxième série d'ailettes 52
et 54, situées de l'autre côté du déflecteur. Les
ailettes sont agencées pour former des chicanes. Des
trous 55 d'accès aux canaux des aubes sont également
représentés.
Le déflecteur peut aussi comporter une ou
plusieurs ailettes de forme incurvée et permettant un
guidage de l'air de refroidissement selon un trajet
plus évolutif.
Les figures 7 à 10 donnent, à titre
d'exemples, d'autres formes de déflecteurs utilisables
par la présente invention. Toutes ces vues sont des
représentations en coupe transversale effectuée selon
un trou de passage de l'air.de refroidissement.
Le déflecteur 60 de la figure 7 est en
forme de rail. Il comporte des ailettes 61 et 62
disposées à angle droit par rapport à la face d'appui
63 du déflecteur sur le pied d'aube. Les ailettes 61 et
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62 peuvent courir toute la longueur du déflecteur ou
être interrompues pour former des chicanes.
Il en va de même pour les déflecteurs 70,
80 et 90 représentés respectivement aux figures 8, 9 et
10. Le déflecteur 70 comporte des ailettes 71 et 72 qui
vont en s'évasant par,rapport à la face d'appui 73 du
déflecteur sur le pied d'aube. Le déflecteur 80
comporte des ailettes 81 et 82 qui vont en se
rapprochant par rapport à la face d'appui 83 du
déflecteur sur le pied d'aube. Le déflecteur 90
comprend quatre ailettes parallèles 91, 92, 93 et 94
disposées à angle droit par rapport à la face d'appui
95 du déflecteur sur le pied d'aube.
L'invention permet d'obtenir un gain de
pression statique au centre de l'alvéole qui comble à
environ 75% le creux de pression existant sans
l'aménagement apporté. Cette amélioration de
l'alimentation de l'aube en air de refroidissement
permet de réduire la température moyenne de l'aube
suivant les conditions de fonctionnement et d'augmenter
en conséquence sa durée de vie.
