NOZZLE DIAPHRAGM PLATFORM FOR GAS TURBINE ENGINE

PLATE-FORME D'AUBE DE DISTRIBUTEUR POUR MOTEUR A TURBINE A GAZ

Abrégé français

Plate-forme d'aube de distributeur de turbine haute-pression pour moteur à turbine à gaz, comprenant un côté interne (12) supportant au moins une aube directrice (14) dont le bord de fuite (14a) est dirigé vers une extrémité aval (16) de la plate-forme (10), et un côté externe (18), opposé au côté interne, à partir duquel s'étend radialement une bride (20) définissant, d'une part en amont de la bride un passage (21) pour de l'air de refroidissement, et d'autre part en aval de la bride une cavité (22), le côté interne (12) de la plate-forme étant muni, entre le bord de fuite (14a) de l'aube directrice et l'extrémité aval (16) de la plate-forme, d'un revêtement (26) formant barrière thermique permettant d'accentuer un gradient thermique engendré dans la plate-forme par une giration de l'air dans ladite cavité.

Abrégé anglais

A high-pressure turbine nozzle-vane band for a gas turbine engine, the band comprising an inside surface (12) supporting at least one guide vane (14) having a trailing edge (14a) that is directed towards a downstream end (16) of the band (10), and an outside surface (18), opposite the inside surface, from which a flange (20) extends radially, defining firstly, upstream from the flange, a passage (21) for cooling-air, and secondly, downstream from the flange, a cavity (22), the inside surface (12) of the band being provided, between the trailing edge (14a) of the guide vane and the downstream end (16) of the band, with a coating (26) forming a thermal barrier enabling a temperature gradient generated in the band by the air spinning in said cavity to be increased.

Revendications

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REVENDICATIONS
1. Plate-forme d'aube de distributeur de turbine haute-pression pour
moteur à turbine à gaz, comprenant:
un côté interne supportant au moins une aube directrice dont le bord de
fuite est dirigé vers une extrémité aval de la plate-forme; et
un côté externe, opposé au côté interne, à partir duquel s'étend
radialement une bride définissant, d'une part en amont de la bride un passage
pour de l'air de refroidissement, et d'autre part en aval de la bride une
cavité;
caractérisée en ce que le côté interne de la plate-forme est muni,
uniquement entre le bord de fuite de l'aube directrice et l'extrémité aval de
la
plate-forme, d'un revêtement formant barrière thermique permettant d'accentuer
un gradient thermique engendré dans la plate-forme par une giration de l'air
dans
ladite cavité.
2. La plate-forme selon la revendication 1, caractérisée en ce que le
revêtement formant barrière thermique a une surface qui s'étend dans la
continuité d'une surface du côté interne de la plate-forme en amont de la
barrière
thermique.
3. La plate-forme selon l'une quelconque des revendications 1 et 2,
caractérisée en ce que le côté externe de la plate-forme comporte des reliefs
perturbateurs s'étendant entre la bride et l'extrémité aval de la plate-forme.
4. La plate-forme selon la revendication 3, caractérisée en ce que les
reliefs perturbateurs sont des nervures s'étendant sensiblement parallèlement
à
un axe de la turbine.
5. La plate-forme selon la revendication 3, caractérisée en ce que les
reliefs perturbateurs sont des nervures sensiblement inclinées par rapport à
un
axe de la turbine.

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6. La plate-forme selon la revendication 3, caractérisée en ce que les
reliefs perturbateurs sont des nervures curvilignes.
7. La plate-forme selon la revendication 3, caractérisée en ce que les
reliefs perturbateurs sont des picots.
8. La plate-forme selon la revendication 7, caractérisée en ce que les
picots sont alignés en rangées sensiblement parallèles à un axe de la turbine.
9. La plate-forme selon la revendication 7, caractérisée en ce que les
picots sont disposés en quinconce.
10. La plate-forme selon l'une quelconque des revendications 1 à 9,
caractérisée en ce que le côté externe de la plate-forme comporte, en amont de
la bride, au moins une tôle d'impact pour assurer un refroidissement par
impact
de ladite plate-forme.
11. La plate-forme selon l'une quelconque des revendications 1 à 9,
caractérisée en ce que la plate-forme est percée, en amont de la bride, par
une
pluralité de trous d'émission d'air destinés à assurer un refroidissement par
film
de ladite plate-forme.
12. Distributeur de turbine haute-pression pour moteur à turbine à gaz,
caractérisé en ce qu'il comporte au moins une plate-forme supérieure et au
moins une plate-forme inférieure selon l'une quelconque des revendications 1 à
11.

Description

CA 02412982 2002-11-29
1
Plate-forme d'aube de distributeur pour moteur à tur~ipQ ~ gaz.
Arrière a~lan de I invention
La présente invention se rapporte au domaine général des
moteurs à turbine à gaz, et plus particulièrement à celui des plates-formes
d'aubes de distributeur de turbine haute-pression d'un moteur à turbine à
gaz.
Un moteur à turbine à gaz comporte typiquement une nacelle
qui forme une ouverture pour l'admission d'un flux déterminé d'air vers le
moteur proprement dit. Généralement, le moteur comprend une section
de compression de l'air admis dans le moteur et une chambre de
combustion dans laquelle l'air ainsi comprimé est mélangé avec du
carburant avant d'y être brûlé. Les gaz issus de cette combustion sont
alors dirigés vers une turbine haute-pression avant d'être évacués.
La turbine haute-pression comporte classïquement une ou
plusieurs rangées d'aubes de turbine espacées circonférentiellement tout
autour du rotor de la turbine. Elle comprend également un assemblage de
distributeur permettant de diriger le flux de gaz issus de la chambre de
combustion vers les aubes de turbine à un angle et une vitesse appropriés
afin d'entraîner en rotation les aubes et le rotor de la turbine.
L'assemblage de distributeur comporte généralement une
pluralité d'aubes directrices qui s'étendent radialement entre des plates
formes annulaires inférieure et supérieure et qui sont espacées
circonférentiellement les unes par rapport aux autres. Ces plates-formes
d'aubes sont ainsi directement en contact avec les gaz chauds issus de la
chambre de combustion. Elles sont soumises à de très fortes températures
et nécessitent donc d'être refroidies. L'augmentation continue de la
température en sortie de chambre de combustion et l'utilisation de
chambres à deux têtes afin d'accroître les performances des moteurs
conduisent en outre à des températures de plus en plus élevées au
voisinage des plates-formes. Cette augmentation des contraintes
thermiques au niveau des plates-formes d'aubes amène à reconsidérer les
techniques utilisées pour les refroidir.

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Z
On conna~i du brevet américain US 5,197,852 un dispositif de
refroidissement pour les plates-formes de distrïbuteurs de turbine à gaz.
Ce dispositif comprend notamment un circuit interne aménagé à ( intérieur
de la plate-forme pour permettre à un fluide de refroidissement de
s'écouler au travers de la plate-forme et refroidir celle-ci. En complément
de ce circuit interne, un revêtement formant barrière thermique est
disposé sur le côté de la plate-forme bordant la veine d'écoulement des
gaz, et s'étend depuis une zone située entre les aubes jusqu'à l'aval de la
plate-forme afin de réduire le gradient de température entre les deux
côtés de la plate-forme.
Le dispositif de refroidissement de la plate-forme de distributeur
décrit dans ce document peut s'avérer insuffisant, notamment à l'aval des
aubes directrices dans le sillage de leur bord de fuite où peuvent
appara~re des brûlures. De plus, la barrière thermique prëvue étant
déposée au niveau de la surface de col des aubes, elle peut affecter la
section de col du distributeur et dégrader les performances de la turbine
haute-pression. La zone à recouvrir par le revêtement formant barrière
thermique est en outre difficilement accessible (en particulier au niveau du
canal inter-aubes) entraînant ainsi une augmentation du coût de la
ZO réalisation de la plate-forme.
Objet e~, résumé de I invention
!a présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients
en proposant une plate-forme d'aube de distributeur comprenant un
dispositif de refroidissement assurant la protection thermique de la plate-
forme dans une région où les autres techniques de refroidissement ne
sont pas utilisables. Elle vise en outre une plate-forme de distributeur dont
le dispositif de refroidissement ne perturbe pas la section de col des aubes
directrices et ne nécessite pas de circuit de refroidissement interne à la
plate-forme. Elle vise encore une plate-forme de distributeur dont le
système de refroidissement ne présente pas de difficulté particulière
d'aménagement. Elle vise enfin un distributeur de turbine haute-pression
comportant au moins une plate-forme selon I invention.
A cet effet, il est prévu une plate-forme d'aube de distributeur
de turbine haute-pression pour moteur à turbine à gaz, comprenant un

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côté interne supportant au moins une aube directrice dont le bord de fuite
est dirigé vers une extrémité aval de la plate-forme, et un côté externe,
opposé au côté interne, à partir duquel s'étend radialement une bride
définissant, d'une part en amont de la bride un passage pour de l'air de
refroidissement, et d'autre part en aval de la bride une cavité, caractérisée
en ce que le côté interne de la plate-forme est muni, entre le bord de fuite
de l'aube directrice et l'extrémité aval de la plate-forme, d'un revétement
formant barrière thermique permettant d'accentuer le gradient thermique
engendré dans la plate-forme par une giration de l'air dans ladite cavité.
De la sorte, la présence du revêtement formant barrière
thermique permet de protéger la plate-forme des brûlures susceptibles
d'apparaître à l'aval des aubes directrices, dans le sillage de leur bord de
fuite.
Afin de ne pas dégrader les performances aérodynamiques de la
turbine haute-pression, le revêtement formant barrière thermique a une
surface qui s'étend dans la continuité de la surface du côté interne de la
plate-forme en amont de la barrière thermique.
Avantageusement, le côté externe de la plate-forme comporte
des reliefs perturbateurs s'étendant entre la bride et l'extrémité aval de la
plate-forme afin d'accroitre le gradient thermique engendré dans la plate
forme et donc d'améliorer l'efficacité de la barrière thermique.
Les reliefs perturbateurs peuvent se présenter sous la forme de
nervures sensiblement parallèles ou inclinées par rapport à l'axe de la
turbine ou sous la forme de nervures curvilignes ou encore de picots.
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 est une vue en coupe d'une plate-forme de
distributeur de turbine haute-pression selon I invention ;
- la figure 2 est une vue selon II-II de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue selon III-III de la figure 1 ; et

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- les figures 4a et 4b sont des vues selon IV-IV de la figure 1
montrant deux exemples de réalisation de reliefs perturbateurs.
Description détaillée d'un mçde d~ réalisation
Dans un moteur à turbine à gaz, les gaz issus de cette
combustion sont dirigés vers une turbine haute-pression comportant une
ou plusieurs rangées d'aubes de turbine espacées circonférentiellement
tout autour d'une roue mobile. La turbine haute-pression comprend
également un assemblage de distributeur permettant de diriger le flux de
gaz issus de la chambre de combustion vers les aubes de turbine à un
angle et une vitesse appropriés afin d'entraîner en rotation les aubes et la
roue mobile. L'assemblage de distributeur est muni d'une pluralité d'aubes
directrices qui s'étendent radialement entre une plate-forme annulaire
inférieure et une plate-forme annulaire supérieure, chaque plate-forme
pouvant être composée d'un seul ou d'une pluralité de segments
adjacents formant une surface circulaire et continue.
On se réfère à la figure 1 qui représente en coupe une plate
forme d'aube de distributeur de turbine haute-pression selon I invention.
Sur cette figure, seule une plate-forme inférieure 10 est représentée. Bien
entendu, la présente invention s'applique également aux plates-formes
supérieures.
La plate-forme 10 comprend un côté interne 12 supportant au
moins une aube directrice 14, étant noté qu'une pluralité d'aubes
directrices sont régulièrement espacées de façon circonférentielle tout
autour d'un axe (non représenté) de la turbine haute-pression. L'aube
directrice 14 est disposée sur le côté interne de la plate-forme 10 de façon
à ce que son bord de fuite 14a soit dirigé vers une extrémité aval 16 de la
plate-forme, dans le sens d'écoulement 17 des gaz chauds issus de la
chambre de combustion.
La plate-forme comporte en outre un côté externe 18, opposé
au côté interne 12, à partir duquel s'étend radialement une bride 20
destinée à permettre le montage de la plate-forme dans le moteur à
turbine à gaz. La bride 20 définit d'une part, en amont de celle-ci, un
passage 21 pour de l'air destiné à refroidir ia plate-forme 10, et d'autre
part, en aval de la bride, une cavité 22 délimitée par la bride et par une

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roue mobile 24 de la turbine. Cette roue mobile 24 s'étend radialement
depuis l'extrémité aval 16 de la plate-forme et supporte une ou plusieurs
rangées d'aubes de turbine (non représentées).
Conformément à I invention et comme illustré par la figure 2, le
côté interne 12 de la plate-forme 10 est muni, entre ie bord de fuite 14a
de l'aube directrice 14 et l'extrémité aval 16 de la plate-forme, d'un
revêtement 26 formant barriére thermique. Le revêtement s'étend sur
toute la circonférence de la plate-forme dans le cas où celle-ci est unique,
et sur toute la largeur de chaque segment dans le cas où la plate-forme se
compose d'une pluralité de segments adjacents.
Le revêtement 26 est par exemple composé d'une fine couche
de céramique typiquement constituée à base de zircone. Une sous-couche
de liaison peut être intercalée entre la plate-forme et la couche de
céramique afin d'améliorer l'adhérence de la couche de. céramique. Le
dépôt de la barrière thermique s'effectue de préférence par un procédé
plasma, mieux adapté à un dépôt localisé. II offre l'avantage de présenter
une mise en oeuvre d'un coût moindre et une meilleure tenue mécanique
par rapport à un procédé de dépôt physique en phase vapeur sous
faisceau d'électrons.
Le revêtement 26 permet d'accentuer un gradient thermique
engendré dans la plate-forme 10 par une giration de l'air contenu dans la
cavité 22. En effet, l'air présent dans cette cavité 22 est mis en rotation
par la giration de la roue mobile 24 autour de l'axe de la turbine haute-
pression ce qui a pour effet de créer un phénomène de convection
thermique le long de la plate-forme 10. Cette convection permet une
évacuation des calories et la création d'un gradient thermique dans la
plate-forme dans une direction perpendiculaire à celle-ci. La présence du
revêtement 26 formant barrière thermique permet alors d'accentuer ce
gradient thermique et donc d'assurer un refroidissement efficace de la
plate-forme à l'aval de la bride 20.
Selon une caractéristique avantageuse de Invention, ie
revêtement 26 formant barrière thermique a une surface qui s'étend dans
la continuité de la surface amont du côté interne 12 de la plate-forme afin
de ne pas dégrader les performances aérodynamiques de la turbine haute-
pression par discontinuité de surface. De plus, afin de limiter tout risque
de dégradation de la barriëre thermique, celle-ci est notamment déposée

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à l'aval du col, c'est à dire à l'aval d'une zone de raccordement entre
l'aube directrice 14 et le côté interne 12 de la plate-forme 10.
Sur la figure 3, on remarque que la cavité 22 est
avantageusement munie, au niveau du côté externe i8 de la plate-forme,
de reliefs perturbateurs 28 s'étendant entre la bride 20 et l'extrémité aval
16 de la plate-forme. Ces reliefs perturbateurs permettent d'accroî~txe le
phénomène de convection thermique décrit ci-dessus et donc d'améliorer
l'efficacité de la barrière thermique.
On se réfère aux figures 4a et 4b qui illustrent deux exemples
de réalisation des reliefs perturbateurs.
Sur la figure 4a, les reliefs perturbateurs se présentent sous la
forme de nervures 30 faisant saillies radialement depuis le côté externe 18
de la plate-forme et s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe de la
turbine. Ces nervures sont ainsi positionnées en travers de l'écoulement
32 de l'air contenu dans la cavité 22 afin de perturber cet écoulement.
Bien entendu, on peut aussi imaginer que ces nervures soient
sensiblement inclinées par rapport à l'axe de la turbine. Les nervures
peuvent également être curvilignes en s'étendant par exemple dans une
direction générale parallèle à l'axe de la turbine.
Sur la figure 4b, les reliefs perturbateurs sont formés de picots
34 taisant saillies radialement depuis le côté externe 18 de la plate-forme.
Sur cette figure, les picots 34 sont disposés en quinconce. On peut aussi
imaginer qu ~Is soient alignés en rangées sensiblement parallèles à l'axe de
la turbine. Par ailleurs, les reliefs perturbateurs peuvent être composés à
la fois de nervures et de picots.
La plate-forme telle que décrite précédemment peut en outre
être munie de dispositifs couramment utilisés pour refroidir les parties
centrale et amont de la plate-forme. Par exemple, comme illustré sur la
figure 1, la plate-forme peut comporter, en amont de la bride 20, au
moins une tôle d impact 36 fixée sur le côté externe 18 afin d'assurer un
refroidissement par impact de la plate-forme. Alternativement, la plate-
forme peut être percée en amont de la bride 20 par une pluralité de trous
d'émission d'air 38 qui s'étendent entre les côtés interne et externe et sont
légèrement inclinés par rapport à une direction radiale afin de créer un
film de refroidissement du côté interne de la plate-forme. L'aménagement
d'une tôle d impact n'est pas envisageable du côté aval de la plate-forme

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du fait de l'exigui'té de la cavité 22 et de la giration de l'air dans cette
cavité qui ne permettrait pas une alimentation efficace des trous dlmpact.
De même, le perçage de trous d'émissions d'air s'étendant entre les côtés
interne et externe ne peut être prévu du côté aval de la plate-forme, la
réintroduction d'air à l'aval du col du distrîbuteur dans une zone oû
l'écoulement est supersonique risquant de dégrader fortement les
performances aérodynamiques de la turbine.

Dessin représentatif