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La présente invention est relative à une turbine à gaz avec rotor à plusieurs étages, dans lequel les pieds des aubes de rotor sont enfilés dans des rainures profilées axiales dudit rotor, avec un dispositif servant à refroidir à la fois la surface du rotor et les pieds des aubes.
L'invention se propose de résoudre le problème connu de protection des parties d'une turbine à gaz soumises à de grands efforts mécaniques contre,un chauffage nuisible sup- plémentaire provoqué par le courant chaud de fluide moteur car une superposition d'efforts thermiques et mécaniques élevés conduirait à dépasser la limite de résistance ad- missible de la matière et à provoquer sa destruction.
En ce cas, c'est le rotor de la turbine à gaz - car c'est autour de lui que passe le fluide moteur - qui est mis en premier lieu en danger et qui doit donc être refroidi.
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Le refroidissement du rotor, que l'on cherche à obte- nir pour les raisons ci-dessus, est d'autant plus.. important,. qu'il permet d'utiliser de la. matière ferritique pour sa. fabrication.
Ainsi qu'on le sait, cette matière est bien. meilleure marché que la matière austénitique, elle est plus facile à travailler et, d'autre part, la limite)- de son aptitude à sup- porter une charge thermique est tellement plus basse que dans le cas de la matière austénitique, que lorsqu'on l'utilise comme matériau pour un rotor de. turbine. à gaz, il est absolu- ment nécessaire de prévoir un dispositif de refroidissement.
On connait déjà plusieurs modes de réalisation de turbines à gaz refroidies. Les conditions sont parti.culière- ment simples dans le cas de turbines à un étage dans lesquel- les on introduit en géhéral des deux c8tés du rotor en forme de plateau ou par desouvertures et des canaux radiaux ména- gés dans celui-ci un gaz de refroidissement et le rotor est ainsi protégé suffisamment contre le fluide moteur chaud.
Dans le cas de turbines à plusieurs étages, les con- ditions sont plus difficiles parce qu'alors la répartition et le guidage exacts du gaz de refroidissement - suivant la construction de la turbine - présentent dans beaucoup de cas de grandes difficultés.
On a déjà proposé de faire arriver le gaz de refroi- dissement aux pieds des aubes du rotor ou aux sommets des aubes directrices de manière à faire agir la nappe de gaz de refroidissement entre la surface du rotor' et le fluide mo- teur chaud.
Une nappe de gaz de refroidissement de ce genre se mélange cependant très rapidement au courant du fluide mo- teur chaud et donne - en outre d'un effet de refroidissement et de protection très insuffisant - une réduction sensible du rendement de la turbine.
Dans une autre disposition connue, il est prévu un
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support des aubes du rotor constitué par un cylindre creux' qui est relié de son côté, par un plateau porteur, avec le moyeu monté sur l'arbre. Un courant de gaz de refroidissement passant dans l'intérieur du cylindre creux et par des trous du plateau porteur, parallèlement au fluide moteur, refroidit le support des aubes du rotor et les pieds de celles-ci.
Cette disposition présente cependant l'inconvénient que la surface du rotor soumise directement à l'action du courant du fluide moteur chaud, malgré le refroidissement in- térieur, prend des températures très élevées, d'autant plus que les aubes transmettent à leurs supports la plus grande partie de la chaleur qu'elles reçoivent. Pour ces raisons, lorsque le refroidissement doit être efficace, il doit être très intense, c'est-à-dire qu'il faut un très grand courant de gaz de refroidissement pour maintenir suffisamment froid le support des aubes du rotor.
A cela vient s'ajouter que le support des aubes du rotor ayant plus ou moins la forme d'un cylindre.creux, per- met bien de guider relativement simplement le gaz de refroi- dissement mais que, dans l'état actuel de la technique, il impose une limite trop faible à la vitesse superficielle ou à la vitesse de rotation du rotor que l'on s'efforce d'aug- menter, du fait des efforts dûs à la force centrifuge.
En conséquence, on en est arrivé à des rotors com- pacts ou à des rotors faits de plusieurs plateaux qui ont de leur côté le profil d'un corps de même résistance..
Dans une de ces formes de réalisation, il est prév un corps de rotor compact avec des séries d'aubes disposées dans des fentes radiales pour des raisons de fabrication ra- tionnelle ainsi que de résistance. Dans un corps de rotor de ce genre, le refroidissement, aussi bien du rotor lui-même que des pieds des aubes représente un problème extrêmement difficile.
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@ La présente invention permet de remédier à cette difficulté. Elle est caractérisée par un nombre, correspon- dant aux aubes d'une couronne, de canaux de refroidissement disposés en direction de l'axe, chacun des canaux comportant des parties de canal placées les unes derrière les autres (ces parties de canal étant constituées chacune par une por- tion de la paroi de la surface du rotor à refroidir et une portion de paroi du pied d'une aube à refroidir) et, en ou- tre, les différentes parties de canal présentant des espaces intercalaires communiquant avec ce canal, les espaces inte= calaires étant constitués par la surface du rotor et par des anneaux disposés entre les aubes, à distance de la sur- face du rotor, et empêchant le passage du gaz de refroidisse- ment dans le courant de fluide moteur.
De préférence, suivant une forme de réalisation de-' l'invention, le gaz de refroidissement arrive aux canaux de gaz de refroidissement en provenance d'un espace compris entre la face'avant du rotor et un disque de recouvrement,, cet espace étant relié d'autre pàrt, à une source de gaz de refroidissement.
Lors du refroidissement, dans le système de l'ins- tallation de turbo-machine, il est important de maintenir aussi faible que possible les pertes produites par le courant de gaz de refroidissement. Ce résultat est obtenu selon l'in- vention grâce à ce que la quantité de gaz de refroidissement est réduite à un minimum et produit un résultat maximum grâce à une vitesse élevée dàns des canaux très étroits. Du fait de la grandeur de la chute de pression dont on dispose, ce procédé est applicable sans difficulté dans le cas ci-dessus.
Pour cette raison, il est avantageux de remplir la section des canaux de gaz de refroidissement au moyen de corps de déplacement dans une mesure telle que le coefficient de résistance pour le gaz de refroidissement est supérieur ou au moins égal au coefficient de résistance du canal de passa-
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ge du gaz de refroidissement en provenance de la source de. ce gaz aux canaux de gaz de refroidissement.
La présente invention ne présuppose pas en soi une construction spéciale du rotor et de la fixation des aubes.
Toutefois, on a constaté, en combinaison avec l'invention, qu'une forme de réalisation était particulièrement avantageu- se et simple, Cette forme consiste en ce que le rotor compor- te, en direction axiale, des rainures longitudinales usinées avec un profil de retenue dans lequel sont disposés les pieds des aubes, des bagues de recouvrement se trouvant, en regar- dant dans le sens de l'axe, entre les couronnes d'aubes, ces bagues s'appuyant lors de la dilatation due à la force cen- trifuge contre les pieds des aubes.
Dans cette forme de réalisation du rotor et des aubes, un espace collecteur pour le gaz de refroidissement sortant est avantageusement prévu entre la face avant du rotor et une plaque de recouvrement se raccordant à elle.
On a représenté schématiquement un exemple de réalisa- tion de l'invention sur le dessin annexé..
La figure 1 représente le rotor 1, selon l'invention, comportant en coupe longitudinale, par exemple, trois cou- ronnes d'aubes, 2,3 et 4. Le carter 5, entourant le rotor, porte les séries fixes d'aubes directrices 6,7 et 8. Les pieds 9,10 et 11 des aubes du rotor 2,3 et 4 sont intro- duites dans une rainure axiale 12 du rotor 1. A l'entrée 13 du fluide moteur dans le canal 16 des aubes, se trouve, sur la face avant 14 du rotor 1, un disque de recouvrement 15 constituant avec la face 14 une chambre 18 dans laquelle dé- bouche le canal 17 de gaz de refroidissement disposé en direc tion de l'axe. Entre le carter 5 de la turbine et le rotor 1, se trouve une garniture d'étanchéité 19 à labyrinthe.
Le gaz de refroidissement arrive en 20, il passe par la fente 21 dans la chambre 18 et, de là, dans le canal 17 avec une grande vitesse, en balayant et refroidissant aussi bien la
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surface du rotor 1 que les pieds et les tiges des couronnes d'aubes 2,3 et 4. Entre ces couronnes, des bagues de recou- vrement 22,23, 24'et 25 ferment les canaux de gaz de refroi dissement par rapport au canal 16 des aubes. Au bout des ca- naux de gaz de refroidissement, il peut y avoir une plaque de recouvrement 26 constituant, avec la face 27 d'aval du rotor 1, une chambre collectrice 28 pour le gaz de refroi- dissement sortant.
La figure 2 représente un secteur de la section de la turbine à gaz en regardant une couronne d'aubes, par exemple 2, avec les différentes aubes, 30,31 et 32 et-leurs plaques' de pied 33, 34 et 35. On voit nettement les rainures profi- lées 36, 37 et 38 du rotor 1 dans lesquelles sont introduite les pieds 39,40 et 41 des aubes.
Entre les plaques de pied et les pieds des aubes se trouvent des tiges 42,43 et 44 qui transmettent la force centrifuge des aubes aux pieds. Les corps de déplacement 45, 46 et 47 restant entre les rainures axiales du rotor 1 pénè- trent en même temps sous forme de "nervures de refroidisse- ment" dans les canaux de gaz de refroidissement 48,49 et 50, qui sont délimités par les plaques de pied 33, 34 et 35 et la surface du rotor.
On voit sans plus, d'après la forme de réalisation représentée, les avantages particuliers donnés par le disposi- tif de refroidissement.
Ce dernier fait d'abord que le gaz de refroidissement n'arrive par le guidage positif qu'en des points déterminés, mais cependant avec l'effet intense nécessaire, à savoir, en particulier, sur les tiges 42, 43 et 44 soumises à un effort élevé du fait des forces centrifugea, sur'les plaques de' pied 33, 34 et 35 et sur la surface du rotor 1. Le refroidissement des plaques de pied et des tiges soulage ces pièces, d'une part, directement des efforts thermiques de valeur inadmissi- bles et il empêche aussi, contrairement à ce qui a lieu dans
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presque tous les rotors de construction connue, une transmis- sion directe de la chaleur des aubes à la matière du rotor.
Le rotor n'est plus - comme dans les turbo-machines connues décrites au début - soumis directement à l'action du' courant de fluide moteur ; aucontraire, il est isolé de ce courant tout autour dans une certaine mesure par les canaux de gaz de refroidissement.
Cet effet nouveau donné par l'invention est obtena d'autre part à l'aide d'une construction simple et pratique- ment sans dépense plus grande en éléments de construction nouveaux ou en frais d'usinage; il s'obtient grâce à la dis- position spéciale des aubes du rotor situées à distancé de celui-ci. Etant donné que les pieds de ces aubes sont intro- duits dans des rainures axiales du rotor, on obtient, indé- pendamment des très bonnes conditions de montage pour les aubes du rotor, dans une certaine mesure automatiquement, les canaux de gaz de refroidissement. Il suffit de prévoir, comme éléments de construction spéciaux, les bagues de re- couvrement et les plaques de fermeture pour le dispositif de refroidissement.
Comme le gaz de refroidissement ne peut se mélanger avec le courant de fluide moteur, le dispositif de refroidissement selon l'invention n'influe pas non plus de façon désavantageuse - comme cela est le cas.dans beaucoup de turbo-machines connues - sur le rendement de la machine et il ne consomme d'autre part, que le minimum de gaz de re- froidissement qui est effectivement nécessaire pour des rai- sons purement thermiques.
Le dispositif de refroidissement peut s'adapter dans une grande mesure à l'aide de moyens simples sur tous les types de turbo-machines. Il suffit de remplacer les canaux de gaz de refroidissement disposés sous les plaqués de picds des aubes du rotor par de simples évidements dans les pieds de ces aubes, ce qui permet éventuellement de pouvoir se pas-
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ser des bagues de recouvrement et des tiges. Avec des rotors plus grands, par exemple, la tige peut être si courte que les corps de déplacement ne sont pas nécessaires;..
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The present invention relates to a gas turbine with a multistage rotor, in which the roots of the rotor blades are threaded into axial profiled grooves of said rotor, with a device serving to cool both the surface of the rotor and the feet. blades.
The invention proposes to solve the known problem of protecting the parts of a gas turbine subjected to great mechanical forces against additional harmful heating caused by the hot current of working fluid because a superposition of thermal forces and High mechanical strengths would lead to exceeding the permissible limit of resistance of the material and causing its destruction.
In this case, it is the rotor of the gas turbine - because it is around it that the working fluid passes - which is put in the first place in danger and which must therefore be cooled.
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The cooling of the rotor, which one seeks to obtain for the above reasons, is all the more important. that it allows to use. ferritic material for its. manufacturing.
As we know, this material is good. cheaper than austenitic material, it is easier to work and, on the other hand, the limit) - of its ability to support a thermal load is so much lower than in the case of austenitic material, than when it is used as a material for a rotor of. turbine. gas, it is absolutely necessary to provide a cooling device.
Several embodiments of cooled gas turbines are already known. The conditions are quite simple in the case of single-stage turbines in which a gas is generally introduced from both sides of the rotor in the form of a plate or through openings and radial channels formed therein. cooling and the rotor is thus sufficiently protected against hot working fluid.
In the case of multistage turbines, the conditions are more difficult because then the exact distribution and guidance of the cooling gas - depending on the construction of the turbine - in many cases presents great difficulties.
It has already been proposed to make the cooling gas arrive at the roots of the rotor blades or at the tops of the guide vanes so as to cause the layer of cooling gas to act between the surface of the rotor and the hot motor fluid.
A sheet of cooling gas of this kind, however, mixes very rapidly with the stream of hot engine fluid and gives - in addition to a very insufficient cooling and protective effect - a substantial reduction in the efficiency of the turbine.
In another known arrangement, a
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support for the rotor blades consisting of a hollow cylinder 'which is connected on its side by a carrier plate, with the hub mounted on the shaft. A stream of cooling gas passing through the interior of the hollow cylinder and through holes in the carrier plate, parallel to the working fluid, cools the support of the rotor blades and the feet thereof.
This arrangement has the drawback, however, that the surface of the rotor subjected directly to the action of the current of hot working fluid, despite the internal cooling, takes very high temperatures, especially since the blades transmit the pressure to their supports. most of the heat they receive. For these reasons, when the cooling must be effective, it must be very intense, that is to say that a very large flow of cooling gas is required to keep the support of the rotor blades sufficiently cold.
In addition, the support for the rotor blades, having more or less the shape of a hollow cylinder, makes it possible to guide the cooling gas relatively simply, but that, in the current state of the cooling gas. technically, it imposes too low a limit on the surface speed or on the speed of rotation of the rotor, which one tries to increase, because of the forces due to the centrifugal force.
As a result, we have come to compact rotors or rotors made of several plates which in their turn have the profile of a body of the same resistance.
In one such embodiment, a compact rotor body is provided with a series of vanes disposed in radial slots for reasons of rational manufacture as well as strength. In such a rotor body, cooling both the rotor itself and the blade roots is an extremely difficult problem.
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@ The present invention overcomes this difficulty. It is characterized by a number, corresponding to the vanes of a crown, of cooling channels arranged in the direction of the axis, each of the channels comprising channel parts placed one behind the other (these channel parts being formed each by a portion of the wall of the surface of the rotor to be cooled and a portion of the wall of the root of a blade to be cooled) and, in addition, the various channel parts having intermediate spaces communicating with this channel , the internal spaces being formed by the surface of the rotor and by rings arranged between the blades, at a distance from the surface of the rotor, and preventing the passage of the cooling gas into the flow of working fluid.
Preferably, according to one embodiment of the invention, the cooling gas arrives at the cooling gas channels from a space between the front face of the rotor and a cover disc, this space being connected on the other side, to a source of cooling gas.
When cooling, in the system of the turbo-machine plant, it is important to keep the losses produced by the cooling gas stream as low as possible. This result is obtained according to the invention by virtue of the fact that the quantity of cooling gas is reduced to a minimum and produces a maximum result by virtue of a high speed in very narrow channels. Due to the magnitude of the pressure drop available, this method is applicable without difficulty in the above case.
For this reason, it is advantageous to fill the section of the cooling gas channels by means of displacement bodies to such an extent that the coefficient of resistance for the cooling gas is greater than or at least equal to the coefficient of resistance of the cooling gas channel. passa-
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ge of the cooling gas from the source of. this gas to the cooling gas channels.
The present invention does not in itself presuppose a special construction of the rotor and of the blade attachment.
However, it has been found, in combination with the invention, that one embodiment is particularly advantageous and simple. This form consists in that the rotor comprises, in the axial direction, longitudinal grooves machined with a profile. retainer in which the blade roots are arranged, the cover rings lying, looking axially, between the blade rings, these rings resting during expansion due to the force Centrifuge against the feet of the blades.
In this embodiment of the rotor and the blades, a collecting space for the outgoing cooling gas is advantageously provided between the front face of the rotor and a cover plate connecting to it.
An exemplary embodiment of the invention has been shown schematically in the accompanying drawing.
FIG. 1 represents the rotor 1, according to the invention, comprising in longitudinal section, for example, three crowns of blades, 2, 3 and 4. The casing 5, surrounding the rotor, carries the fixed series of blades. 6, 7 and 8. The feet 9, 10 and 11 of the blades of the rotor 2, 3 and 4 are inserted into an axial groove 12 of the rotor 1. At the inlet 13 of the working fluid in the channel 16 of the blades , there is, on the front face 14 of the rotor 1, a covering disc 15 constituting with the face 14 a chamber 18 into which the cooling gas channel 17 disposed in the direction of the axis emerges. Between the casing 5 of the turbine and the rotor 1, there is a labyrinth seal 19.
The cooling gas arrives at 20, it passes through the slot 21 into the chamber 18 and, from there, into the channel 17 with high speed, sweeping and cooling the
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surface of the rotor 1 as the roots and stems of the vane crowns 2, 3 and 4. Between these crowns, cover rings 22, 23, 24 'and 25 close the cooling gas channels with respect to the blade channel 16. At the end of the cooling gas channels, there may be a cover plate 26 constituting, together with the downstream face 27 of the rotor 1, a collecting chamber 28 for the outgoing cooling gas.
Figure 2 shows a sector of the section of the gas turbine looking at a ring of blades, for example 2, with the different blades, 30, 31 and 32 and their root plates 33, 34 and 35. We see clearly sees the profiled grooves 36, 37 and 38 of the rotor 1 in which the roots 39, 40 and 41 of the blades are inserted.
Between the root plates and the blade roots are rods 42, 43 and 44 which transmit the centrifugal force from the blades to the blades. The displacement bodies 45, 46 and 47 remaining between the axial grooves of the rotor 1 at the same time enter as "cooling ribs" into the cooling gas channels 48, 49 and 50, which are delimited by the foot plates 33, 34 and 35 and the rotor surface.
Without further ado, from the embodiment shown, the particular advantages provided by the cooling device can be seen.
The latter firstly causes the cooling gas to arrive through the positive guide only at determined points, but nevertheless with the necessary intense effect, namely, in particular, on the rods 42, 43 and 44 subjected to a high force due to the centrifugal forces, on the foot plates 33, 34 and 35 and on the surface of the rotor 1. The cooling of the foot plates and the rods relieves these parts, on the one hand, directly from the forces thermal values of inadmissible value and it also prevents, contrary to what takes place in
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almost all rotors of known construction, a direct transmission of heat from the blades to the rotor material.
The rotor is no longer - as in the known turbo-machines described at the beginning - directly subjected to the action of the current of motive fluid; on the contrary, it is isolated from this current all around to some extent by the cooling gas channels.
This new effect given by the invention is obtained on the other hand by means of a simple construction and practically without greater expense in new construction elements or in machining costs; it is obtained thanks to the special arrangement of the rotor blades located at a distance from it. Since the roots of these blades are inserted in axial grooves of the rotor, independent of the very good mounting conditions for the rotor blades, the cooling gas channels are obtained to a certain extent automatically. As special construction elements, it is sufficient to provide cover rings and cover plates for the cooling device.
As the cooling gas cannot mix with the flow of motive fluid, the cooling device according to the invention does not have a disadvantageous influence either - as is the case in many known turbo-machines - on the efficiency of the machine and, moreover, consumes only the minimum amount of cooling gas which is actually necessary for purely thermal reasons.
The cooling device can be adapted to a great extent with the help of simple means on all types of turbo-machines. It suffices to replace the cooling gas channels arranged under the peak plates of the blades of the rotor by simple recesses in the roots of these blades, which optionally makes it possible to pass
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ser cover rings and rods. With larger rotors, for example, the rod can be so short that displacement bodies are not needed; ..