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Titre de l'invention
Déflecteur d'air pour circuit de refroidissement pour aube de turbine à gaz
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général du
refroidissement des aubes de turbine à gaz, notamment les aubes mobiles
d'une turbine à gaz de turbomachine.
Les aubes de turbine à gaz d'une turbomachine, telles que les
aubes mobiles de la turbine haute-pression par exemple, sont soumises
aux températures très élevées des gaz issus de la chambre de
combustion. Ces températures atteignent des valeurs largement
supérieures à celles que peuvent supporter sans dommages les aubes de
la turbine, ce qui a pour conséquence de limiter leur durée de vie.
Afin de remédier à ce problème, il est bien connu de munir ces
aubes de circuits internes de refroidissement. Grâce à de tels circuits de
refroidissement, de l'air, qui est généralement introduit dans l'aube par
son pied, traverse celle-ci en suivant un trajet formé par des cavités
pratiquées dans l'aube avant d'être éjecté par des orifices s'ouvrant à la
surface de l'aube.
II existe de nombreuses réalisations différentes de ces circuits
de refroidissement. Ainsi, certains circuits utilisent des cavités de
refroidissement qui occupent toute la largeur de l'aube (c'est-à-dire qui
s'étendent depuis l'intrados jusqu'à l'extrados de l'aube). D'autres circuits
proposent l'utilisation de cavités de refroidissement de bord n'occupant
qu'un seul côté de l'aube (intrados ou extrados) ou les deux côtés avec
l'adjonction d'une grande cavité centrale entre ces cavités de bord.
En terme de tenue mécanique, une aube de turbine à gaz
affiche une bonne durée de vie si ses faces intrados et extrados
présentent des températures voisines (c'est-à-dire si le gradient thermique
entre ces faces est faible). Par ailleurs, quelque soit le mode de réalisation
des circuits de refroidissement, le refroidissement interne d'une aube de
turbine est assuré par convection interne d'un flux d'air frais sur les parois
des cavités formant ces circuits. II en résulte un échange thermique
différent sur chaque paroi de la cavité, indépendamment du fait que celle-
ci soit lisse ou perturbée ou que l'aube soit fixe ou mobile.
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Or, l'échange thermique avec les gaz chauds circulant à
l'extérieur de l'aube est plus important du côté intrados que du côté
extrados de l'aube. Aussi, pour compenser ce phénomène et ainsi obtenir
un faible gradient thermique entre les faces intrados et extrados de l'aube,
il est nécessaire de refroidir fortement les parois internes des cavités du
circuit de refroidissement qui sont disposées du côté intrados de l'aube.
Pour une aube mobile de turbine à gaz, lorsque l'écoulement de
l'air dans les cavités du circuit de refroidissement est centrifuge, et malgré
les effets de la force de Coriolis qui augmentent les échanges thermiques
internes à l'intrados de l'aube, l'écart avec les échanges thermiques
s'effectuant à l'extrados de l'aube reste trop important pour obtenir un
faible gradient thermique. De même, lorsque l'écoulement de l'air dans les
cavités du circuit de refroidissement de l'aube mobile est centripète,
l'échange thermique est naturellement favorable à l'extrados de l'aube, ce
qui accentue encore l'écart de température entre les faces intrados et
extrados de l'aube.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels
inconvénients en proposant une aube de turbine à gaz pour laquelle le
circuit interne de refroidissement permet de minimiser l'écart de
température entre les faces intrados et extrados de celle-ci.
A cet effet, il est prévu une aube de turbine à gaz comportant
un circuit de refroidissement interne se composant d'au moins une cavité
s'étendant radialement entre le pied et le sommet de l'aube, au moins une
ouverture d'admission d'air à une extrémité radiale de la cavité et au
moins un orifice de sortie d'air s'ouvrant dans la cavité et débouchant sur
l'une des faces de l'aube, caractérisée en ce que au moins l'une des parois
de ladite cavité du circuit de refroidissement comporte au moins un
déflecteur d'air dont la forme et les dimensions sont adaptées pour
projeter l'air s'écoulant le long de ladite paroi de la cavité vers une paroi
opposée de ladite cavité tout en évitant un recollement de la couche limite
immédiatement en aval dudit déflecteur d'air.
En positionnant judicieusement le déflecteur d'air dans la cavité
du circuit de refroidissement selon que l'écoulement dans celle-ci soit
centrifuge ou centripète, il est possible de projeter l'air circulant dans la
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cavité vers la paroi de la cavité qui est disposée du côté intrados de
l'aube. Ainsi, un tel déflecteur d'air permet d'augmenter l'échange
thermique interne à l'intrados de l'aube et donc de réduire le gradient
thermique entre les parois extrados et intrados de la cavité du circuit de
refroidissement. De la sorte, tout écart de température entre les faces
intrados et extrados de l'aube peut être évité.
Selon une disposition avantageuse de l'invention, le déflecteur
d'air présente une rampe inclinée de façon à projeter l'air s'écoulant le
long de la paroi de la cavité vers la paroi opposée. Une telle rampe peut
posséder une longueur comprise entre 2 et 4 fois sa hauteur et présenter
un rayon de courbure compris entre 20 et 30 mm.
Selon une application particulière de l'invention, la paroi de la
cavité du circuit de refroidissement comportant le déflecteur d'air peut
être disposée du côté extrados de l'aube et la paroi de la cavité sur
laquelle est projetée l'air peut être disposée du côté intrados de l'aube.
Lorsque l'écoulement de l'air dans la cavité du circuit de
refroidissement est centrifuge, le déflecteur d'air est avantageusement
disposé sur la paroi de la cavité du circuit de refroidissement au niveau
d'une zone d'attache de l'aube.
Alternativement, lorsque l'écoulement de l'air dans la cavité du
circuit de refroidissement est centripète, le déflecteur d'air est
avantageusement disposé sur la paroi de la cavité du circuit de
refroidissement au niveau du sommet de l'aube.
Selon encore une autre alternative pour laquelle le circuit de
refroidissement comporte au moins deux cavités, le déflecteur d'air peut
être positionné au niveau d'un passage faisant communiquer l'extrémité
radiale de l'une des cavités avec une extrémité radiale voisine de l'autre
cavité.
L'invention a également pour objet une turbine à gaz et une
turbomachine ayant une pluralité d'aubes telles que définies
précédemment.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins
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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'une aube
mobile de turbine à gaz selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue en coupe selon II-II de la figure 1 ;
- la figure 3 est une loupe d'un détail de la figure 2 ;
- la figure 4 est une vue en coupe selon IV-IV de la figure 1 ; et
- la figure 5 est une vue partielle et en coupe longitudinale
d'une aube mobile de turbine à gaz selon un autre mode de réalisation de
l'invention.
Description détaillée d'un mode de réalisation
Les figures 1 à 4 représentent une aube mobile 10 de
turbomachine, telle qu'une aube mobile de turbine haute-pression. Bien
entendu, l'invention peut aussi bien s'appliquer à d'autres aubes mobiles
d'une turbine à gaz de turbomachine, ainsi qu'à des aubes fixes d'une
turbine à gaz de turbomachine.
L'aube 10 comporte une surface aérodynamique (ou pale) qui
s'étend radialement entre un pied d'aube 12 et un sommet d'aube 14.
Cette surface aérodynamique se compose d'un bord d'attaque 16 disposé
en regard de l'écoulement des gaz chauds issus de la chambre de
combustion de la turbomachine, d'un bord de fuite 18 opposé au bord
d'attaque 16, d'une face latérale intrados 20 et d'une face latérale
extrados 22, ces faces latérales 20, 22 reliant le bord d'attaque 16 au bord
de fuite 18.
L'aube 10 est munie d'un circuit interne de refroidissement du
type formé par au moins une cavité s'étendant radialement entre le pied
12 et le sommet 14 de l'aube, au moins une ouverture d'admission d'air à
une extrémité radiale de la cavité et au moins un orifice de sortie d'air
s'ouvrant dans la cavité et débouchant sur l'une des faces de l'aube.
Sur l'exemple de réalisation des figures 1 à 4, le circuit interne
de refroidissement de l'aube se compose d'une cavité bord d'attaque 24
disposée du côté du bord d'attaque 16 de l'aube, de trois cavités centrales
26, 28 et 30 disposées dans une partie centrale de l'aube et d'une cavité
bord de fuite 32 disposée du côté du bord de fuite 18 de l'aube. Ces
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différentes cavités 24, 26, 28, 30 et 32 s'étendent depuis la face intrados
20 jusqu'à la face extrados 22 de l'aube.
Une ouverture d'admission d'air 34 est prévue à une extrémité
radiale de la cavité bord d'attaque 24 (ici au niveau du pied 12 de l'aube)
5 afin d'alimenter en air le circuit de refroidissement.
Un premier passage 36 fait communiquer l'autre extrémité
radiale de la cavité bord d'attaque 24 avec une extrémité radiale voisine
de la cavité centrale 26 adjacente. Un deuxième passage 38 et un
troisième passage 40 font communiquer respectivement la cavité centrale
26 avec la cavité centrale 28 adjacente et cette dernière avec la cavité
centrale 30 restante. Enfin, un quatrième passage 42 fait communiquer la
cavité centrale 30 avec la cavité bord de fuite 32.
Le circuit de refroidissement intrados comporte aussi des orifices
de sortie 44 s'ouvrant dans la cavité bord de fuite 32 et débouchant sur la
face intrados 20 de l'aube au niveau du bord de fuite 18 de cette dernière.
Ces orifices 44 sont régulièrement répartis sur toute la hauteur radiale de
l'aube.
Des perturbateurs d'écoulement de l'air 46 destinés à accroître
les transferts thermiques peuvent être prévus le long des parois des
différents cavités 24, 26, 28, 30 et 32 du circuit de refroidissement. Ces
perturbateurs d'écoulement 46 peuvent se présenter sous la forme de
nervures qui sont droites ou inclinées par rapport à l'axe de rotation de
l'aube, sous la forme de picots ou encore sous toutes autres formes
équivalentes.
Bien entendu, tout autre mode de réalisation du circuit interne
de refroidissement de l'aube du type décrit précédemment est applicable à
l'invention. Notamment, le nombre, la forme et la disposition des cavités,
ainsi que la quantité et la disposition des orifices d'admission d'air, des
passages de communication et des orifices de sortie peuvent varier selon
le circuit de refroidissement.
Selon l'invention, au moins l'une des parois de l'une (ou de
plusieurs) des cavités 24, 26, 28, 30 et 32 du circuit de refroidissement
comporte au moins un déflecteur d'air 48, 48'.
Un exemple d'emplacement d'un tel déflecteur d'air 48 est
notamment visible sur les figures 2 et 3. Sur ces figures, le déflecteur d'air
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48 est positionné sur la paroi 24a de la cavité bord d'attaque 24 qui est
disposée du côté extrados 22 de l'aube.
Un autre exemple d'emplacement d'un tel déflecteur d'air 48' est
représenté sur la figure 4. Sur cette figure, le déflecteur d'air 48' est
disposé sur la paroi 26a de la cavité centrale 26 adjacente à la cavité bord
d'attaque 24 qui est disposée du côté extrados 22 de l'aube.
Toujours selon l'invention, la forme et les dimensions du
déflecteur d'air 48, 48' sont adaptées pour projeter l'air s'écoulant le long
de la paroi 24a, 26a de la cavité 24, 26 vers une paroi opposée 24b, 26b
de la cavité tout en évitant un recollement de la couche limite
immédiatement en aval du déflecteur d'air.
Par recollement de la couche limite immédiatement en aval du
déflecteur d'air 48, 48', il faut comprendre que l'écoulement de l'air en
aval du déflecteur s'effectue principalement le long de la paroi 24b, 26b
opposée à la paroi 24a, 26a sur laquelle est implanté le déflecteur d'air.
Aussi, dans la zone 50, 50' immédiatement en aval du déflecteur d'air 48,
48', l'écoulement de l'air le long de la paroi 24a, 26a d'emplacement du
déflecteur est faible. A titre d'exemple, cette zone 50, 50' de faible
écoulement de l'air s'étend sur une hauteur radiale de l'aube de l'ordre de
20% environ de la hauteur radiale totale de l'aube.
Par rapport aux perturbateurs d'écoulement de l'air qui sont
utilisés pour accroître les transferts thermiques, le déflecteur d'air selon
l'invention se distingue en ce qu'il consiste, d'une part à projeter l'air sur
la
paroi opposée à celle de son implantation, et d'autre part à éviter un
recollement immédiat de la couche limite. En revanche, un perturbateur
d'écoulement de l'air a pour fonction essentielle d'augmenter la turbulence
de l'écoulement de l'air au voisinage immédiat du perturbateur tout en
cherchant à recoller le flux en aval de celui-ci. Comme représenté sur les
figures 1 à 4, la présence de perturbateurs d'écoulement d'air 46 avec le
déflecteur d'air 48, 48' selon l'invention n'est d'ailleurs pas incompatible.
La figure 3 représente de façon plus précise un mode de
réalisation d'un déflecteur d'air 48 selon l'invention.
Le déflecteur d'air 48 comporte une rampe 52 qui est inclinée
par rapport à la paroi 24a de la cavité 24 sur laquelle le déflecteur est
implanté de façon à projeter l'air s'écoulant le long de cette paroi 24a vers
la paroi opposée 24b.
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De façon avantageuse, la rampe inclinée 52 du déflecteur d'air
48 possède une longueur L qui est comprise entre 2 et 4 fois sa hauteur h.
Par exemple, pour une cavité de refroidissement 24 ayant une largeur d
(c'est-à-dire la distance séparant ses parois 24a, 24b) de l'ordre de 4 mm,
la rampe 52 du déflecteur d'air 48 possède une hauteur h de l'ordre de 1,5
mm et une longueur L comprise entre 3 et 5 mm. A titre de comparaison,
pour une cavitë de refroidissement 24 ayant une largeur d_ de l'ordre de 3
mm, un perturbateur d'écoulement de l'air 46 tel que décrit
précédemment possède une hauteur comprise entre 0,4 et 0,5 mm.
Toujours de façon avantageuse, la rampe inclinée 52 du
déflecteur d'air 48 est arrondie et présente un rayon de courbure R
compris entre 20 et 30 mm. Cette valeur est donnée à titre d'exemple
pour une cavité de refroidissement 24 ayant une largeur d_ de l'ordre de 4
mm. Un rayon de courbure R aussi important par rapport à la largeur d de
la cavité 24 permet de déplacer l'air s'écoulant le long de la paroi 24a vers
la paroi opposée 24b sans pour autant l'accélérer brutalement. On notera
également que le rayon de courbure R de la rampe 52 du déflecteur est
de préférence supérieur à la longueur L sur laquelle s'étend cette rampe.
Du côté opposé à la rampe inclinée 52, fe déflecteur d'air 48
présente une autre rampe arrondie 54 dont le rayon de courbure r et la
longueur I sur laquelle elle s'étend sont calculés de façon à éviter un
recollement de la couche limite immédiatement en aval du déflecteur d'air.
Notamment, le rayon de courbure r de cette autre rampe 54 doit être le
plus faible possible pour atteindre ce but.
Sur l'exemple de réalisation des figures 1 à 3, l'écoulement de
l'air dans la cavité bord d'attaque 24 est centrifuge, c'est-à-dire que l'air
s'écoule du pied 12 vers le sommet 14 de l'aube. Dans ce type
d'écoulement, le déflecteur d'air 48 est avantageusement disposé sur la
paroi de la cavité 24 du circuit de refroidissement au niveau d'une zone
d'attache de l'aube. Cette zone d'attache s'étend depuis l'extrémité radiale
de l'aube située du côté de son pied 12 jusqu'à une plate-forme 56
délimitant la paroi interne de la veine d'écoulement des gaz traversant la
turbine à gaz. Un tel emplacement du déflecteur d'air permet d'obtenir un
échange thermique interne optimum à l'intrados de l'aube.
Sur l'exemple de réalisation de la figure 4, l'écoulement de l'air
dans la cavité centrale 26 est centripète, c'est-à-dire que l'air s'écoule du
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sommet 14 vers le pied 12 de l'aube. Dans ce type d'écoulement, le
déflecteur d'air 48' est avantageusement disposé sur la paroi de la cavité
26 du circuit de refroidissement au niveau du sommet 14 de l'aube. Un tel
emplacement permet d'obtenir un échange thermique interne optimum à
l'intrados de l'aube.
On notera par ailleurs que la forme et les dimensions du
déflecteur d'air 48' de ce mode de réalisation représenté par la figure 4
sont identiques à celles décrites en liaison avec les figures 1 à 3.
En liaison avec la figure 5, on décrira maintenant un autre
exemple d'emplacement d'un déflecteur d'air 48" selon l'invention.
Dans ce mode de réalisation, le déflecteur d'air 48" est
positionné au niveau d'un passage 100 faisant communiquer l'extrémité
radiale d'une cavité 102 d'un circuit interne de refroidissement d'une aube
avec une extrémité radiale voisine d'une autre cavité 104 qui lui est
adjacente. Un tel passage de communication 100 peut par exemple être
l'un des passages 36 à 40 de l'aube des figures 1 à 3.
Le déflecteur d'air 48" est disposé sur l'une des parois 104a de
la cavité 104 et sa forme et ses dimensions sont adaptées pour projeter
l'air s'écoulant le long de cette paroi 104a vers la paroi opposée 104b tout
en évitant un recollement de la couche limite immédiatement en aval du
déflecteur d'air.
De façon plus précise, le déflecteur d'air 48" est positionné de
telle sorte que l'air circulant dans la cavité 102 est projeté au niveau de
son « retournement » dans la cavité adjacente 104 (c'est-à-dire au niveau
du passage de communication 100) vers une zone 106 de circulation de
l'air qui est située au niveau de l'extrémité radiale de la paroi opposée
104b de la cavité adjacente 104. Une telle zone 106 est d'ordinaire une
zone dans laquelle la circulation de l'air est faible et non perturbée.
Dans cet exemple de réalisation, le déflecteur d'air 48" permet
donc d'éviter tout risque de décollement de la couche limite au niveau de
la zone de « retournement » de l'air entre les deux cavités 102, 104 du
circuit de refroidissement.
