Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02500491 2005-03-04
1
Titre de l'invention
Dispositif de pilotage de jeu de turbine à gaz à équilibrage des débits d'air
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général du
pilotage de jeu en sommet d'aubes mobiles d'une turbine à gaz. Elle vise
plus particulièrement un dispositif de pilotage d'une turbine haute-pression
de turbomachine équipé de moyens d'équilibrage des débits d'air.
Une turbine à gaz, telle qu'une turbine haute-pression de
turbomachine, comporte une pluralité d'aubes mobiles disposées dans le
passage de gaz chauds issus d'une chambre de combustion. Les aubes
mobiles de la turbine sont entourées, sur toute la circonférence de la
turbine, par un stator annulaire. Ce stator définit l'une des parois de la
veine d'écoulement des gaz chauds à travers la turbine.
Afin d'augmenter le rendement de la turbine, il est connu de
réduire autant que possible le jeu existant entre le sommet des aubes
mobiles de la turbine et les parties du stator qui leur font face.
Pour y parvenir, des moyens de pilotage de jeu en sommet
d'aubes ont été élaborés. De tels moyens se présentent généralement
sous la forme de conduites annulaires qui entourent le stator et qui sont
parcourues par de l'air prélevé sur d'autres parties de la turbomachine.
Selon le régime de fonctionnement de la turbine, l'air est injecté sur la
surface externe du stator afin d'en modifier la température et provoque
ainsi des dilatations ou des contractions thermiques du carter qui sont
aptes à faire varier son diamètre.
Les dispositifs de pilotage connus jusqu'à présent ne permettent
pas toujours d'obtenir une grande uniformité de température sur toute la
circonférence du stator. Un manque d'homogénéité de température
engendre des distorsions du stator qui sont particulièrement préjudiciables
au rendement et à la durée de vie de la turbine à gaz.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients
en proposant un dispositif de pilotage de jeu en sommet d'aubes d'une
turbine à gaz permettant d'équilibrer les débits d'air dans le dispositif de
CA 02500491 2011-12-05
2
pilotage afin de limiter les hétérogénéités thermiques du stator de la
turbine.
La présente invention vise un dispositif de pilotage de jeu en sommet
d'aubes mobiles d'un rotor de turbine à gaz, comportant:
trois rampes annulaires de circulation d'air (14) montées circonférentielle-
ment sur un carter annulaire (12) d'un stator de la turbine et destinées à
décharger
de l'air sur ledit carter (12) afin d'en modifier la température;
au moins un tube collecteur d'air (20) disposé au moins en partie autour des
rampes de circulation d'air (14);
au moins un tube d'alimentation en air (22) pour alimenter en air le tube
collecteur d'air (20); et
au moins une conduite d'air (24) s'ouvrant dans le tube collecteur d'air (20)
et
débouchant dans les rampes de circulation d'air (14);
caractérisé en ce qu'il comporte deux tubes collecteur d'air (20) chacun relié
à trois
conduites d'air (24) débouchant chacune dans les trois rampes de circulation
d'air
(14), chaque conduite d'air (24) étant pourvue d'un diaphragme (30)
d'équilibrage
du débit d'air la traversant, les caractéristiques de chaque diaphragme étant
individualisées en fonction de la conduite d'air (24) dans laquelle ledit
diaphragme
est placé.
De préférence, à cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de
pilotage de jeu en sommet d'aubes mobiles d'un rotor de turbine à gaz,
comportant
au moins une rampe annulaire de circulation d'air montée circonférentiellement
sur
un carter annulaire d'un stator de la turbine et destinée à décharger de l'air
sur le
carter afin d'en modifier la température, un tube collecteur d'air disposé au
moins en
partie autour de la ou des rampes de circulation d'air, au moins un tube
d'alimentation en air pour alimenter en air le tube collecteur d'air, et au
moins une
conduite d'air s'ouvrant dans le tube collecteur d'air et débouchant dans la
ou les
rampes de circulation d'air, caractérisé en ce que la conduite d'air est
pourvue de
moyens pour équilibrer le débit d'air la traversant.
CA 02500491 2011-12-05
2a
De préférence, les moyens pour équilibrer le débit d'air
traversant la conduite d'air se composent d'un diaphragme disposé par
exemple en entrée de la conduite d'air.
L'équilibrage du débit d'air traversant la conduite d'air permet
ainsi de limiter les hétérogénéités thermiques au niveau du carter de la
turbine. En effet, il est possible de déterminer les pertes de charges (au
niveau de l'alimentation de la ou des rampes de circulation d'air) pour
équilibrer les débits d'air, et donc les caractéristiques du diaphragme.
Le diaphragme est avantageusement disposé au niveau d'une
entrée de la conduite d'air de façon à créer des pertes de charge
supplémentaires. Il peut se présenter sous la forme d'un anneau de
diamètre Interne inférieur au diamètre interne de la conduite d'air.
De préférence, lorsque le dispositif comporte deux tubes collecteur d'air
chacun relié à trois conduites d'air débouchant chacune dans trois rampes de
circulation d'air, chaque conduite d'air est avantageusement pourvue d'un
diaphragme d'équilibrage du débit d'air la traversant. Dans ce cas, les
caractéristiques de chaque diaphragme de préférence sont individualisées en
fonction de la conduite d'air dans laquelle le diaphragme est placé.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins
CA 02500491 2005-03-04
3
annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout
caractère limitatif. Sur les figures
- la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de
pilotage selon l'invention ; et
- la figure 2 illustre l'emplacement des moyens d'équilibrage des
débits d'air du dispositif de la figure 1.
Description détaillée d'un mode de réalisation
Les figures 1 et 2 illustrent un dispositif de pilotage 10 selon
l'invention. Un tel dispositif de pilotage peut s'appliquer à toute turbine à
gaz dont le contrôle de jeu en sommet des aubes mobiles est nécessaire.
Ce dispositif s'applique tout particulièrement à une turbine haute-pression
de turbomachine.
Sur les figures, le dispositif de pilotage 10 est monté sur un
carter annulaire 12 faisant partie du stator de la turbine. Ce carter 12
d'axe longitudinal X-X entoure une pluralité d'aubes mobiles (non
représentées) formant le rotor de la turbine.
Le dispositif de pilotage 10 a pour fonction de contrôler le jeu
qui existe entre le sommet des aubes mobiles de la turbine et les parties
du stator qui leur font face.
Les aubes mobiles de la turbine sont entourées par une pluralité
de segments d'anneau (non représentés) qui sont montés sur le carter 12
par l'intermédiaire d'entretoises (non représentées). Les parties du stator
qui font face au sommet des aubes mobiles sont ainsi formées par la
surface interne des segments d'anneau.
Le dispositif de pilotage 10 des figures 1 et 2 se compose de
trois rampes de circulation d'air 14 ; une rampe interne 14a, une rampe
centrale 14b et une rampe externe 14c. Ces rampes sont montées
circonférentiellement sur la surface externe du carter 12 par
l'intermédiaire de règles de fixation 16. Une unique rampe de circulation
d'air pourrait également être envisagée.
Les rampes de circulation d'air 14 sont espacées axialement les
unes des autres et sont sensiblement parallèles entre elles. Elles sont
disposées de part et d'autre de deux ailettes (ou bosses) annulaires 18 qui
s'étendent radialement vers l'extérieur du carter 12.
CA 02500491 2005-03-04
4
Les rampes 14 sont pourvues d'une pluralité de perçages 19
disposés en regard de la surface externe du carter 12 et des ailettes 18.
Ces perçages 19 permettent à l'air circulant dans les rampes 14 de se
décharger sur le carter 12 afin d'en modifier la température.
Par ailleurs, comme illustré sur la figure 1, les rampes de
circulation d'air 14 peuvent être segmentées en plusieurs secteurs
angulaires de rampes distincts (au nombre de six sur la figure 1) et
régulièrement répartis sur toute la circonférence du carter 12.
Le dispositif de pilotage 10 comporte en outre au moins un
tube collecteur d'air 20 qui entoure au moins en partie les rampes de
circulation d'air 14. Sur la figure 1, il est prévu deux tubes collecteurs
d'air
20. Le ou les tubes collecteur d'air 20 sont destinés à alimenter en air les
rampes de circulation d'air 14.
Chaque tube collecteur d'air 20 est alimenté en air par au moins
un tube d'alimentation en air 22. Le tube d'alimentation en air 22 est relié
à des zones de la turbomachine dans lesquelles de l'air peut être prélevé
pour alimenter le dispositif de pilotage 10. A titre d'exemple, les zones de
prélèvement d'air peuvent être un ou plusieurs étages d'un compresseur
de la turbomachine.
Le prélèvement d'air dans les zones de la turbomachine prévues
à cet effet peut être régulé par une vanne de commande (non
représentée) interposée entre ces zones de prélèvement d'air et le tube
d'alimentation en air 22. Une telle vanne permet de commander le
dispositif de pilotage 10 en fonction du régime de fonctionnement de la
turbine.
Le dispositif de pilotage 10 comporte en outre au moins une
conduite d'air 24 s'ouvrant dans le tube collecteur d'air 20 et débouchant
dans les rampes de circulation d'air 14 afin de les alimenter en air.
Sur la figure 1, il est prévu une conduite d'air 24 par secteur
angulaire de rampes de circulation d'air 14, c'est à dire que le dispositif de
pilotage comporte six conduites d'air 24 régulièrement réparties sur toute
la circonférence du carter 12.
Comme le dispositif de pilotage 10 de cette figure 1 comporte
un tube d'alimentation en air 22 alimentant deux tubes collecteur d'air 20
distincts, chaque tube collecteur d'air 20 s'étend circonférentiellement sur
une moitié de cercle environ et alimente ainsi trois conduites d'air 24. On
CA 02500491 2005-03-04
distingue ces trois conduites d'air 24 en les nommant respectivement :
première conduite d'air 24a pour la conduite qui est la plus proche du tube
d'alimentation en air 22, deuxième conduite d'air 24b pour la conduite
placée directement en aval de la première conduite 24a, et troisième
5 conduite d'air 24c pour la conduite la plus éloignée du tube d'alimentation
en air 22.
Chaque conduite d'air 24 se présente sous une forme d'un
cylindre, par exemple métallique, ayant des bords 26 qui viennent
s'engager dans des ouvertures latérales 28 des rampes de circulation d'air
14. Les conduites d'air 24 sont ainsi soudées aux rampes 14.
Selon l'invention, au moins l'une des conduites d'air 24 est
pourvue de moyens pour équilibrer le débit d'air la traversant.
De tels moyens se présentent avantageusement sous la forme
d'un diaphragme 30 disposé à l'entrée de la conduite d'air 24, c'est à dire
en amont des rampes de circulation d'air 14 par rapport à la direction
d'écoulement de l'air provenant du tube collecteur d'air 20. Plus
particulièrement, le diaphragme 30 est placé en amont de la rampe
interne 14a.
La présence de ce diaphragme 30 dans au moins l'une des
conduites d'air 24, et de préférence dans chaque conduite d'air 24a, 24b
et 24c, permet d'équilibrer les débits d'air provenant du tube collecteur
d'air 20 et alimentant les rampes de circulation d'air 14 dans lesquelles
débouchent la conduite d'air.
Sur la figure 2, le diaphragme 30 se présente sous la forme d'un
anneau (ou rondelle) métallique qui est par exemple soudée aux parois
internes de la conduite d'air 24 et dont le diamètre interne d1
représentant la section de débit d'air est plus faible que le diamètre
interne d2 de la conduite d'air 24.
Les caractéristiques du diaphragme 30 d'équilibrage des débits
d'air (telles. que son diamètre interne dl par rapport à celui 12 de la
conduite d'air 24) sont déterminées afin d'engendrer des pertes de
charges supplémentaires au niveau de l'entrée de chaque conduite d'air
24 alimentée par celui-ci. En effet, les pertes de charge n'étant pas
identiques pour chaque conduite d'air 24 alimentée par un même tube
collecteur 20, les caractéristiques des diaphragmes 30 sont modélisées
pour engendrer des pertes de charge supplémentaires au niveau de
CA 02500491 2005-03-04
6
l'entrée de chaque conduite d'air 24 afin d'obtenir un équilibre dans la
répartition des débits d'air.
On décrira maintenant le processus de modélisation des
caractéristiques des diaphragmes nécessaires pour chaque conduite d'air
24 à partir d'une modélisation des débits d'air dans un dispositif de
pilotage de l'art antérieur.
Le tableau I ci-dessous donne, pour un dispositif de pilotage de
l'art antérieur (c'est à dire dépourvu de moyens d'équilibrage des débits
d'air), la répartition des débits d'air dans les trois conduites d'air 24a,
24b,
24c alimentées par un même tube collecteur d'air 20 et dans chaque
rampe de circulation d'air 14 d'un même secteur de rampe alimenté par
chacune de ces conduites d'air. Ces débits d'air ont été modélisés pour un
régime de fonctionnement de croisière d'une turbomachine dont la turbine
haute-pression est équipée d'un dispositif de pilotage de jeu.
I)
- Débit dans la première conduite d'air 24a (g/s) 32,43
Débit dans la rampe interne 14a (g/s) 4,11
Débit dans la rampe centrale 14b (g/s) 7,76
Débit dans la rampe externe 14c (g/s) 4,35
- Débit dans la deuxième conduite d'air 24b (g/s) 34,03
Débit dans la rampe interne 14a (g/s) 4,31
Débit dans la rampe centrale 14b (g/s) 8,16
Débit dans la rampe externe 14c (g/s) 4,54
- Débit dans la troisième conduite d'air 24c (g/s) 34,42
Débit dans la rampe interne 14a (g/s) 4,36
Débit dans la rampe centrale 14b (g/s) 8,26
Débit dans la rampe externe 14c (g/s) 4,59
En liaison avec le tableau I, les résultats de la ventilation
mettent en évidence une hétérogénéité dans la répartition des débits d'air,
d'une part à l'entrée de chaque conduite d'air 24a, 24b et 24c (qui atteint
6%), et d'autre part entre chaque secteur de rampes de circulation d'air
(qui atteint 5,8%). La troisième conduite d'air 24c présente une pression
d'alimentation d'air supérieure aux deux autres conduites 24a, 24b du fait
de la diminution de la vitesse d'écoulement de l'air dans le tube collecteur
CA 02500491 2005-03-04
7
d'air. Il résulte de l'hétérogénéité des débits d'air entre chaque conduite
d'air que le refroidissement du carter 12 n'est pas homogène. Des
gradients de température peuvent donc apparaître et entraîner des
distorsions mécaniques.
A partir de tels résultats, il est ainsi possible de modéliser les
pertes de charge supplémentaires qu'il est nécessaire d'appliquer pour
chaque conduite d'air 24 afin d'obtenir une homogénéité dans la
répartition des débits d'air. La modélisation des pertes de charge
supplémentaires permet alors de calculer les caractéristiques des
diaphragmes 30 (notamment leur diamètre interne d1 par rapport au
diamètre interne d2 de chaque conduite d'air 24).
Par exemple, à partir des données modélisées du tableau I, on
remarque que pour la deuxième conduite d'air 24b, il est nécessaire
d'engendrer une perte de charge supplémentaire de l'ordre 3,8. Pour
engendrer une telle perte de charge, il faut mettre un diaphragme dont la
section de perçage Fi permet de vérifier : F1/F2 = 0,51 avec Fi section
de perçage ou débitante d'air du diaphragme et F2 section débitante d'air
de la conduite d'air 24b. Pour un diamètre d2 de la conduite d'air 24b de
l'ordre de 39,8 mm, le diamètre di du diaphragme 30 à mettre en place à
l'entrée de la deuxième conduite d'air 24b est alors de l'ordre de 28,4 mm
pour un diamètre d2 de la conduite d'air 24b de l'ordre de 39,8 mm.
Toujours à partir des données modélisées du tableau I, on
remarque également que pour la troisième conduite d'air 24c, il est
nécessaire d'engendrer une perte de charge supplémentaire de l'ordre 4,5.
De même que décrit ci-dessus, une telle perte de charge peut-être
obtenue avec un diaphragme dont la section de perçage F1 permet de
vérifier : F1/F2 = 0,49 avec F1 section de perçage ou débitante d'air du
diaphragme et F2 section débitante d'air de la conduite d'air 24c. Pour un
diamètre d2 de la conduite d'air 24c de l'ordre de 39,8 mm, le diamètre dl
du diaphragme 30 à mettre en place à l'entrée de la deuxième conduite
d'air 24c est alors de l'ordre de 27,9 mm.
Les caractéristiques de chaque diaphragme 30 mis en place
dans chaque conduite d'air 24 qui sont ainsi déterminés à partir de la
modélisation de pertes de charges supplémentaires à engendrer sont
individualisées pour chaque conduite d'air. Les résultats de la mise en
place de tels diaphragmes sont exprimés dans le tableau II ci-dessous.
CA 02500491 2005-03-04
8
II)
- Débit dans la première conduite d'air 24a (g/s) 32,59
Débit dans la rampe interne 14a (g/s) 4,14
Débit dans la rampe centrale 14b (g/s) 7,82
Débit dans la rampe externe 14c (g/s) 4,37
- Débit dans la deuxième conduite d'air 24b (g/s) 32,67
Débit dans la rampe interne 14a (g/s) 4,12
Débit dans la rampe centrale 14b (g/s) 7,78
Débit dans la rampe externe 14c (g/s) 4,35
- Débit dans la troisième conduite d'air 24c (g/s) 32,52
Débit dans la rampe interne 14a (g/s) 4,13
Débit dans la rampe centrale 14b (g/s) 7,79
Débit dans la rampe externe 14c(g/s) 4,36
Dans ce tableau II, on constate que, grâce à la mise en place de
diaphragmes dans les conduites d'air 24a, 24b et 24c, les hétérogénéités
dans la répartition des débits d'air sont inférieures à 1% entre chaque
conduite d'air, ce qui est négligeable. Il en résulte une homogénéité en
température du carter 12.
Ainsi, il est possible d'équilibrer les débits d'air circulant dans
chaque secteur angulaire de rampes de circulation d'air 14 en ajoutant un
diaphragme d'équilibrage individualisé des débits d'air à l'entrée de la
conduite d'air qui débouche dans ce secteur angulaire de rampes.
En d'autres termes, l'équilibrage des débits d'air peut être
réalisé de manière individuelle pour chaque secteur de rampes de
circulation d'air 14 en adaptant la section du diaphragme en fonction des
besoins pour une section de rampe particulière. Chaque conduite d'air 24
peut ainsi être munie d'un diaphragme 30 dont les caractéristiques
(section débitante d'air) sont différentes pour un secteur de rampes à un
autre.
