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CA 02531519 2009-05-14
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Titre de l'invention
Circuits de refroidissement pour anneau fixe de turbine à gaz
Arrière-plan de l'invention
La présente invention est relative aux anneaux fixes entourant
des passages de gaz de turbines à gaz, et plus particulièrement au
refroidissement des anneaux fixes de turbine à gaz.
Une turbine à gaz, notamment une turbine haute-pression de
turbomachine, comporte typiquement une pluralité d'aubes fixes disposées
en alternance avec une pluralité d'aubes mobiles dans le passage de gaz
chauds issus de la chambre de combustion de la turbomachine. Les aubes
mobiles de la turbine sont entourées sur toute la circonférence par un
anneau fixe qui est généralement formé d'une pluralité de segments
d'anneau. Ces segments d'anneau définissent en partie le passage pour
l'écoulement des gaz chauds à travers les aubes de la turbine.
Les segments d'anneau de la turbine sont ainsi soumis aux
températures élevées des gaz chauds issus de la chambre de combustion
de la turbomachine. Pour la tenue mécanique et thermique de l'anneau de
turbine, il est donc nécessaire de munir les segments d'anneau de
dispositifs de refroidissement.
L'une des méthodes connues de refroidissement consiste à
alimenter en air de refroidissement une plaque d'impact montée sur le
corps des segments d'anneau. La plaque est munie d'une pluralité
d'orifices pour le passage de l'air qui vient, sous la différence de pression
de part et d'autre de la plaque, refroidir le segment d'anneau par impact.
L'air de refroidissement est alors évacué dans le passage des gaz chauds
par des perçages pratiqués au travers du segment d'anneau.
Une telle méthode ne permet pas d'obtenir un refroidissement
efficace et homogène des segments d'anneau, notamment au niveau de
l'extrémité amont du segment d'anneau qui est une zone particulièrement
exposée aux gaz chauds. La durée de vie des segments d'anneau s'en
trouve donc affectée. Par ailleurs, cette technologie nécessite un
prélèvement trop important en air de refroidissement, ce qui diminue les
performances de la turbine.
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Objet et résumé de l'invention
La présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients
en proposant un anneau fixe de turbine à gaz dont chaque segment
d'anneau est muni de circuits internes de refroidissement nécessitant un
faible débit en air et permettant de refroidir efficacement le segment
d'anneau par convection thermique.
A cet effet, il est prévu un anneau fixe entourant un passage de
gaz chauds d'une turbine à gaz, l'anneau étant entouré d'un logement
annulaire fixe de façon à définir une chambre annulaire de refroidissement
dans laquelle débouche au moins un orifice d'alimentation en air de
refroidissement, l'anneau étant composé d'une pluralité de segments
d'anneau, caractérisé en ce que chaque segment d'anneau comporte un
circuit interne de refroidissement supérieur et un circuit interne de
refroidissement inférieur, le circuit de refroidissement inférieur étant
indépendant du circuit de refroidissement supérieur et décalé radialement
par rapport au circuit refroidissement supérieur.
Les circuits internes de refroidissement supérieur et inférieur
bénéficient de coefficients d'échanges thermiques élevés afin d'assurer un
refroidissement efficace et homogène de chaque segment d'anneau. Ces
circuits permettent notamment de refroidir les zones du segment d'anneau
qui sont les plus exposées aux gaz chauds. Il est ainsi possible de
diminuer le débit d'air nécessaire au refroidissement des segments
d'anneau, même dans des conditions thermodynamiques sévères de
fonctionnement de la turbine.
De la sorte, la durée de vie de l'anneau fixe de la turbine peut
être augmentée et les performances de la turbine ne sont que peu
affectées par les prélèvements d'air destinés au refroidissement des
segments d'anneau.
Le circuit de refroidissement supérieur permet notamment
d'assurer le refroidissement du côté amont du segment d'anneau et
d'améliorer l'efficacité du circuit de refroidissement inférieur. Le circuit
de
refroidissement inférieur permet de refroidir la surface interne du segment
d'anneau et éventuellement les segments d'anneau adjacents.
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Les circuits internes de refroidissement supérieur et inférieur
sont indépendants l'un de l'autre, ce qui présente comme avantages de
pouvoir dissocier le refroidissement assuré par chaque circuit de
refroidissement et d'adapter le débit d'air alimentant chaque circuit. Par
exemple, on pourra utiliser un débit important pour le circuit supérieur
afin de refroidir efficacement le côté amont du segment d'anneau (qui est
la zone la plus chaude) et un débit moins important pour le circuit
inférieur. L'indépendance entre les circuits de refroidissement permet
également d'optimiser le refroidissement de manière indépendante.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description 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 représente schématiquement une partie d'une
turbine à gaz illustrant l'emplacement d'un anneau fixe par rapport à celui
des aubes mobiles ;
- la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un segment
d'anneau selon un mode de réalisation de l'invention ;
- les figures 3 et 4 sont des vues en coupes respectives selon
III-III et IV-IV de la figure 2 ;
- la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'un segment
d'anneau selon un autre mode de réalisation de l'invention ; et
- la figure 6 est une vue en coupe selon VI-VI de la figure 5.
Description détaillée d'un mode de réalisation
On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente
schématiquement une partie d'une turbine haute-pression 1 d'une
turbomachine.
La turbine haute-pression 1 comporte notamment un logement
annulaire fixe 2 formant un carter de la turbomachine. Un anneau fixe 4
de turbine est fixé à ce logement 2 et entoure une pluralité d'aubes
mobiles 6 de la turbine. Ces aubes mobiles 6 sont disposées en amont
d'aubes fixes 8 par rapport à la direction d'écoulement 10 de gaz chauds
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issus d'une chambre de combustion 12 de la turbomachine et traversant la
turbine. Ainsi, l'anneau 4 de turbine entoure un passage 14 d'écoulement
des gaz chauds.
De manière générale, l'anneau de turbine 4 se compose d'une
pluralité de segments d'anneau disposés circonférentiellement autour de
l'axe de la turbine (non représenté) de façon à former une surface
circulaire et continue. Toutefois, on peut aussi imaginer que l'anneau de
turbine ne soit composé que d'une seule et même pièce continue. La
présente invention s'applique indifféremment à un anneau unique de
turbine et à un segment d'anneau de turbine.
En se référant à la figure 2, on voit que chaque segment
d'anneau 16 formant l'anneau fixe présente une surface annulaire interne
18 et une surface annulaire externe 20 décalée radialement par rapport à
la surface interne 18. La surface interne 18 est en regard du passage 14
d'écoulement des gaz chauds. Chaque segment d'anneau 16 présente en
outre, au niveau de sa paroi transversale amont 16a, un crochet amont 22
et, au niveau de sa paroi transversale aval 16b, un crochet aval 24. Les
crochets amont 22 et aval 24 permettent la fixation du segment d'anneau
16 sur le logement annulaire fixe 2 de la turbine.
Le logement annulaire fixe 2 et l'anneau de turbine formé par
les segments d'anneau 16 définissent entre eux une chambre annulaire de
refroidissement 26 qui est alimentée en air de refroidissement par
l'intermédiaire d'au moins un orifice 28 traversant le logement annulaire
fixe 2. L'air de refroidissement alimentant cette chambre de
refroidissement 26 provient typiquement d'une partie de l'air extérieur qui
traverse une soufflante et contourne la chambre de combustion de la
turbomachine.
Selon l'invention, chaque segment d'anneau 16 est muni d'un
circuit interne de refroidissement supérieur A et d'un circuit interne de
refroidissement inférieur B, B', le circuit de refroidissement inférieur B, B'
étant indépendant du circuit de refroidissement supérieur A et décalé
radialement par rapport à celui-ci. Ces circuits de refroidissement
supérieur A et inférieur B, B' permettent d'assurer un refroidissement des
segments d'anneau par convection thermique.
Plus précisément, le circuit de refroidissement supérieur A est
destiné à refroidir la surface annulaire externe 20 et le côté amont du
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segment d'anneau 16 qui est le côté du segment d'anneau le plus exposé
aux gaz chauds. Le circuit de refroidissement inférieur B, B' permet de
refroidir la surface annulaire interne 18 du segment d'anneau 16 qui est la
surface la plus exposée à l'écoulement des gaz chauds. Le circuit de
5 refroidissement supérieur A permet également d'améliorer l'efficacité du
refroidissement réalisé par le circuit inférieur B, B'.
On décrira un mode de réalisation du segment d'anneau selon
l'invention en se référant aux figures 2 à 4.
Sur ces figures, le circuit de refroidissement supérieur A
comporte au moins une première cavité interne 32 qui s'étend
angulairement entre des parois longitudinales 16c, 16d du segment
d'anneau 16. Cette première cavité 32 s'étend également axialement sur
une partie seulement de la largeur du segment d'anneau 16 définie entre
ses parois transversales amont 16a et aval 16b.
Le circuit de refroidissement supérieur A comporte également
au moins une seconde cavité interne 34 s'étendant angulairement entre
les parois longitudinales 16c, 16d du segment d'anneau 16. Cette seconde
cavité 34 est disposée axialement en amont de la première cavité 32, c'est
à dire entre une paroi transversale amont de la première cavité 32 et la
paroi transversale amont 16a du segment d'anneau 16. La largeur de la
seconde cavité 34 (c'est à dire la distance entre ses parois transversales)
est sensiblement inférieure à celle de la première cavité 32.
Au moins un orifice d'alimentation en air de refroidissement 36
s'ouvre dans la chambre de refroidissement 26 et débouche dans la
première cavité 32 afin d'alimenter le circuit supérieur A en air de
refroidissement. Plus précisément, cet orifice d'alimentation 36 s'ouvre
dans la chambre de refroidissement 26 et débouche du côté aval de la
première cavité 32.
Une pluralité de trous d'émission 38 s'ouvrant dans la première
cavité 32 et débouchant dans la seconde cavité 34 sont également prévus.
Ces trous d'émission 38 permettent de refroidir par impact d'air la seconde
cavité 34.
Le circuit de refroidissement supérieur A comporte en outre une
pluralité de trous de sortie 40a, 40b s'ouvrant dans la seconde cavité 34 et
débouchant dans le passage 14 des gaz chauds, du côté amont du
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segment d'anneau 16. L'air de refroidissement circulant dans le circuit
supérieur A est donc évacué par ces trous de sortie 40a, 40b.
Plus précisément, il est prévu une première série de trous de
sortie 40a qui débouchent dans le passage 14 des chauds, au niveau de la
surface annulaire interne 18 du segment d'anneau 16 et une seconde
série de trous de sortie 40b qui débouchent dans le passage 14 des gaz
chauds, au niveau de la paroi transversale amont 16a du segment
d'anneau. A cet effet, les trous de sortie 40a de la première série peuvent
être inclinés par rapport à la direction d'écoulement 10 des gaz chauds,
tandis que les trous de sortie 40b de la seconde série peuvent être
sensiblement parallèles à cette direction d'écoulement.
Bien entendu, on peut aussi imaginer que le circuit de
refroidissement supérieur A présente d'autres séries de trous de sortie
débouchant dans le passage des gaz chauds, du côté amont du segment
d'anneau 16.
On remarquera également que, sur la figure 3, les trous de
sortie 40a et 40b sont sensiblement alignés selon une direction axiale par
rapport aux trous d'émission 38 s'ouvrant dans la première cavité 32 et
débouchant dans la seconde cavité 34. Une telle disposition permet ainsi
de diminuer les pertes de charges. Toutefois, on peut aussi imaginer que
les trous de sortie 40a et 40b ne sont pas alignés avec les trous d'émission
38.
Dans le mode de réalisation illustré par les figures 2 à 4, le
circuit interne de refroidissement inférieur B est muni d'au moins trois
cavités internes 42, 44 et 46 qui s'étendent angulairement entre les parois
longitudinales 16c, 16d du segment d'anneau 16.
Ces trois cavités 42, 44 et 46 sont en outre décalées
radialement par rapport à la première cavité 32 du circuit de
refroidissement supérieur A, c'est à dire qu'elles sont disposées entre la
première cavité 32 du circuit supérieur A et la surface annulaire interne 18
du segment d'anneau 16.
De façon plus précise, au moins une première cavité interne 42
est disposée du côté aval du segment d'anneau 16. Au moins une
deuxième cavité interne 44 est disposée axialement en amont de la
première cavité 42. De même, au moins une troisième cavité interne 46
est disposée axialement en amont de la deuxième cavité 44.
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On notera que, sur les figures 2 et 4, ces trois cavités 42, 44 et
46 présentent une largeur (distance entre leurs parois transversales
respectives) sensiblement identique et qu'elles sont espacées l'une de
l'autre d'une distance sensiblement équivalente.
Le circuit de refroidissement inférieur B est alimenté en air de
refroidissement par au moins un orifice d'alimentation en air 48 s'ouvrant
dans la chambre de refroidissement 26 et débouchant dans la première
cavité 42.
Le circuit de refroidissement inférieur B comporte également au
moins un premier passage 50 faisant communiquer la première cavité 42
avec la deuxième cavité 42 et au moins un second passage 52 faisant
communiquer la deuxième cavité 44 avec la troisième cavité 46.
Une pluralité de trous de sortie 54 s'ouvrent dans la troisième
cavité 46 et débouchent dans le passage 14 des gaz chauds, du côté
amont du segment d'anneau 16 afin de refroidir celui-ci. Les trous de
sortie 54 s'ouvrent du côté amont du segment d'anneau, au niveau de la
surface annulaire interne 18. Ils sont par exemple inclinés par rapport à la
direction d'écoulement 10 des gaz chauds. L'air de refroidissement
circulant dans le circuit inférieur B est ainsi évacué par ces trous de sortie
54.
De préférence, la deuxième cavité 44 de ce circuit de
refroidissement inférieur B est munie de perturbateurs 56 de manière à
accroître les transferts thermiques. Comme illustré sur la figure 4, ces
perturbateurs 56 peuvent être des nervures s'étendant longitudinalement
de façon perpendiculaire à la direction de circulation de l'air dans la
deuxième cavité 44. Les perturbateurs peuvent également prendre la
forme de picots ou de pontets par exemple.
Avantageusement, l'orifice d'alimentation en air 48 et le second
passage 52 du circuit inférieur B sont disposés du côté de l'une des parois
longitudinales 16c (ou 16d) du segment d'anneau 16, tandis que le
premier passage 50 du circuit inférieur B est disposé du côté de l'autre
paroi longitudinale 16d (ou 16c) du segment d'anneau. Une telle
disposition permet d'augmenter le trajet de circulation de l'air de
refroidissement dans le circuit inférieur B afin d'accroître les transferts
thermiques.
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On décrira maintenant un autre mode de réalisation du segment
d'anneau selon l'invention en se référant aux figures 5 et 6.
Dans ce mode de réalisation, le circuit de refroidissement
supérieur A du segment d'anneau est identique à celui décrit
précédemment. Le circuit de refroidissement inférieur B' est en revanche
différent.
Ce circuit de refroidissement inférieur B' comporte au moins
quatre cavités internes 58, 60, 62 et 64 qui s'étendent axialement entre
les parois transversales amont 16a et aval 16b du segment d'anneau 16.
Ces quatre cavités 58, 60, 62 et 64 sont en outre décalées
radialement par rapport à la première cavité 32 du circuit de
refroidissement supérieur A, c'est à dire qu'elles sont disposées entre la
première cavité 32 du circuit supérieur A et la surface annulaire interne 18
du segment d'anneau 16.
La première cavité 58 de ce circuit de refroidissement inférieur
B' est disposée du côté de l'une des parois longitudinales 16c (ou 16d) du
segment d'anneau 16. La deuxième cavité 60 est décalée angulairement
par rapport à la première cavité 58, la troisième cavité 62 est décalée
angulairement par rapport à la deuxième et la quatrième cavité 64 est
décalée angulairement par rapport à la troisième. Ces cavités sont
disposées de sorte que la quatrième cavité 64 est disposée du côté de la
paroi longitudinale 16d (ou 16c) opposée à celle de la première cavité 58.
Au moins un premier 66 et un second 68 orifices d'alimentation
en air de refroidissement s'ouvrent dans la chambre de refroidissement 26
et débouchent respectivement dans les deuxième 60 et troisième 62
cavités afin d'alimenter celles-ci en air de refroidissement.
Le circuit de refroidissement inférieur B' comporte également au
moins un premier passage 70 faisant communiquer la deuxième cavité 60
avec la première cavité 58. De même, au moins un second passage 72 fait
communiquer la troisième cavité 62 avec la quatrième cavité 64.
Enfin, le circuit de refroidissement inférieur B' est muni d'au
moins une pluralité de premiers trous de sortie 74 s'ouvrant dans la
première cavité 58 et débouchant dans le passage 14 des gaz chauds, au
niveau de la paroi longitudinale 16c du segment d'anneau 16 du côté
duquel est aménagée la première cavité 58.
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De même, il est prévu au moins une pluralité de seconds trous
de sortie 76 s'ouvrant dans la quatrième cavité 64 et débouchant dans le
passage 14 des gaz chauds, au niveau de l'autre paroi longitudinale 16d
du segment d'anneau 16.
De la sorte, on obtient deux sous-circuits inférieurs
indépendants l'un de l'autre. Comme illustré sur la figure 6, ces sous-
circuits peuvent être sensiblement symétriques par rapport à un axe
longitudinal médian du segment d'anneau. Ces sous-circuits inférieurs sont
alimentés de manière indépendantes par les orifices d'alimentation 66, 68
et présentent des trous de sortie 74, 76 indépendants qui permettent de
refroidir les segments d'anneau adjacents au segment d'anneau concerné.
De préférence, les deuxième 60 et troisième 62 cavités du
circuit de refroidissement inférieur B' comportent chacune des
perturbateurs 78 de manière à accroître les transferts thermiques. Ces
perturbateurs 78 peuvent prendre la forme de nervures (comme sur les
figures 5 et 6), de picots ou bien de pontets.
Par ailleurs, les premier 66 et un second 68 orifices
d'alimentation du circuit inférieur B' sont avantageusement pratiqués du
côté de l'une des parois transversales 16a, 16b du segment d'anneau 16
(sur la figure 6, du côté de la paroi aval 16b) et les premier 70 et second
72 passages du circuit inférieur B' sont pratiqués du côté de l'autre paroi
transversale 16b, 16a du segment d'anneau 16 (sur la figure 6, du côté de
la paroi amont 16a). Une telle disposition permet d'augmenter le trajet de
circulation de l'air de refroidissement dans le second circuit inférieur B'
afin d'accroître les transferts thermiques.
