CA2195040C - Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine - Google Patents
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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Abstract
Dispositif de refroidissement de la partie externe d'un disque de turbine (2) au moyen d'un courant d'air frais externe (circuit II) sans mélange avec la ventilation plus chaude du centre du disque (circuit I). Une pièce (30) traversée de canaux (31, 32) qui se croisent sans se couper permet d'éviter le mélange de courants sensiblement perpendiculaires devant une partie (22) du disque (2) et un mélange qui réduit l'efficacité du refroidissement.
Description
. 219 5040 DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT D'UN DISQUE DE TURBINE
DESCRIPTION
L'invention concerne un dispositif de refroidissement d'un disque de turbine.
Dans la portipn de turbine à gaz d' une machine existante illustrée à la figure 1, la turbine à haute pression 1 commence en un disque 2 porteur d'un premier étage d'aubes mobiles 3 et fixé au rotor 4. Ce disque 2 est situé en aval d' une chambre de combustion 5 formée dans un stator 6 entourant le rotor 4 et qui se situe elle-même en aval d'un compresseur à haute pression 7.
Les gaz résultant de la combustion du carburant dans la chambre 5 chauffent très fortement le disque 2, qu'il s'agit donc de refroidir énergiquement pour maintenir la matière qui le compose à une température compatible avec le maintien de ses propriétés de résistance mécanique. Le moyen utilisé consiste en deux circuits de ventilation I et II d'air plus frais . le premier d'entre eux I, illustré par les flèches en trait plein, utilise de l'air soutiré juste en amont de la chambre de combustion 5 et qui passe par un volume de fond de chambre 28 avant de le quitter par des orifices 8 pour pénétrer dans des chambres d'injection 9 d'où l'air sort par des injecteurs à haute pression 10 qui l'accélèrent et le propulsent à grande vitesse vers le flanc 14 du disque 2.
Une partie de cet air parvient effectivement à
une couronne interne 11 appartenant au flanc 14 après avoir traversé des orifices 12 d'un flasque 13 couvrant le disque 2, après quoi la rotation du disque 2 produit une force centrifuge sur l'écoulement d'air, qui le dirige vers l'extérieur ; l'air est guidé entre la surface de flanc 14 du disque 2 et le flasque 13 pour 2i 95040
DESCRIPTION
L'invention concerne un dispositif de refroidissement d'un disque de turbine.
Dans la portipn de turbine à gaz d' une machine existante illustrée à la figure 1, la turbine à haute pression 1 commence en un disque 2 porteur d'un premier étage d'aubes mobiles 3 et fixé au rotor 4. Ce disque 2 est situé en aval d' une chambre de combustion 5 formée dans un stator 6 entourant le rotor 4 et qui se situe elle-même en aval d'un compresseur à haute pression 7.
Les gaz résultant de la combustion du carburant dans la chambre 5 chauffent très fortement le disque 2, qu'il s'agit donc de refroidir énergiquement pour maintenir la matière qui le compose à une température compatible avec le maintien de ses propriétés de résistance mécanique. Le moyen utilisé consiste en deux circuits de ventilation I et II d'air plus frais . le premier d'entre eux I, illustré par les flèches en trait plein, utilise de l'air soutiré juste en amont de la chambre de combustion 5 et qui passe par un volume de fond de chambre 28 avant de le quitter par des orifices 8 pour pénétrer dans des chambres d'injection 9 d'où l'air sort par des injecteurs à haute pression 10 qui l'accélèrent et le propulsent à grande vitesse vers le flanc 14 du disque 2.
Une partie de cet air parvient effectivement à
une couronne interne 11 appartenant au flanc 14 après avoir traversé des orifices 12 d'un flasque 13 couvrant le disque 2, après quoi la rotation du disque 2 produit une force centrifuge sur l'écoulement d'air, qui le dirige vers l'extérieur ; l'air est guidé entre la surface de flanc 14 du disque 2 et le flasque 13 pour 2i 95040
2 refroidir finalement la périphérie du disque 2 en pénétrant dans des cavités 15 creusées dans celle-ci.
Le second écoulement d'air II, illustré par les flèches en pointillés, est prélevé juste après le compresseur à haute pression 7 et passe par une chambre 16 comprise entre le rotor 4 et le stator 6 d'où il sort par un joint à labyrinthe ou à brosse 17 jeté
entre ces pièces et composé plus précisément de léchettes 18, c'est--à-dire de crêtes circulaires érigées sur le rotor 4, qui frottent sur une matiére abradable 19 fixée au stator 6, c'est-à-dire une matière tendre qu'elles creusent au gré des dilatations différentielles aux différents régimes de la machine.
La pression de l'air projette l'air hors de la chambre 16 et dans un canal 20 annulaire et d'orientation divergente, contigu à une partie du fond de chambre 28 sur une grande partie de sa longueur et d'où l'air sort par des injecteurs supérieurs 36 qui débouchent devant une couronne radialement externe 22 du disque de turbine 2, appartenant en fait à une surface de flanc 29 du flasque 13 solidaire de ce disque.
L'air du second circuit de ventilation exerce une réfrigération notable sur la couronne externe 22 en atteignant cette zone proche des gaz de combustion et donc plus fortement échauffée. La nécessité de refroidir tout le disque 2 mais surtout sa périphérie justifie la dualité des circuits de refroidissement, dont l'air peut d'ailleurs provenir d'autres endroits de la machine. Toutefois, il est prévu qu'une partie de l'air du premier circuit de ventilation ne passe pas par les orifices 12 mais contourne le flasque 13 par l'extérieur et passe par un joint à labyrinthe ou à
brosse 23, à peu près semblable au précédent 17 et composé comme lui de léchettes 24 érigées sur le flasque 13 et d'une couche d'abradable 25 soudée sur 2i 95D40
Le second écoulement d'air II, illustré par les flèches en pointillés, est prélevé juste après le compresseur à haute pression 7 et passe par une chambre 16 comprise entre le rotor 4 et le stator 6 d'où il sort par un joint à labyrinthe ou à brosse 17 jeté
entre ces pièces et composé plus précisément de léchettes 18, c'est--à-dire de crêtes circulaires érigées sur le rotor 4, qui frottent sur une matiére abradable 19 fixée au stator 6, c'est-à-dire une matière tendre qu'elles creusent au gré des dilatations différentielles aux différents régimes de la machine.
La pression de l'air projette l'air hors de la chambre 16 et dans un canal 20 annulaire et d'orientation divergente, contigu à une partie du fond de chambre 28 sur une grande partie de sa longueur et d'où l'air sort par des injecteurs supérieurs 36 qui débouchent devant une couronne radialement externe 22 du disque de turbine 2, appartenant en fait à une surface de flanc 29 du flasque 13 solidaire de ce disque.
L'air du second circuit de ventilation exerce une réfrigération notable sur la couronne externe 22 en atteignant cette zone proche des gaz de combustion et donc plus fortement échauffée. La nécessité de refroidir tout le disque 2 mais surtout sa périphérie justifie la dualité des circuits de refroidissement, dont l'air peut d'ailleurs provenir d'autres endroits de la machine. Toutefois, il est prévu qu'une partie de l'air du premier circuit de ventilation ne passe pas par les orifices 12 mais contourne le flasque 13 par l'extérieur et passe par un joint à labyrinthe ou à
brosse 23, à peu près semblable au précédent 17 et composé comme lui de léchettes 24 érigées sur le flasque 13 et d'une couche d'abradable 25 soudée sur 2i 95D40
3 une surface du stator 6. Les forces centrifuges que le flasque 13 exerce sur cette portion du premier écoulement la redressent comme la portion précédente et la font longer la surface de flanc 29 pour finalement croiser l'écoulement du second circuit de ventilation devant la couronne externe 22.
L'origine de l'invention repose sur la constatatipn que cette situation n'était pas idéale car le courant d'air provenant du circuit I est nettement plus chaud que celui du circuit II (d'environ 50°C).
Les brevets britanniques 2 135 394 et 2 184 167 décrivent des dispositifs analogues à celui de la figure 1 et qui comprennent en particulier un double circuit de refroidissement par circulation d'air, mais des différences importantes existent . c'est ainsi que l'air du circuit II est le plus chaud et ne sert pas à
refroidir le disque mais les portions du rotor et du stator adjacentes à la chambre 16.
L'invention consiste à ajouter des pièces dont la fonction est de canaliser les écoulements afin que leur mélange soit exclu et que l'air du circuit II
originaire des injecteurs supérieurs 36 parvienne sans encombre sur la couronne extérieure 22 : cet air du circuit II est sensiblement plus frais que celui du premier circuit I, car le joint à labyrinthe ou à
brosse 17 qui lui est associé échauffe moins l' air que le joint à labyrinthe 23 de plus grand diamètre, et l'air du premier circuit I est centrifugé à la sortie du labyrinthe 23, donc comprimé, ce qui l'échauffe également.
Ce surcroît de réfrigération dü à l'air du second circuit compense largement la perte de réfrigération consécutive à la dérivation temporaire du courant d'air du premier écoulement, dont l'action est moindre.
..
L'origine de l'invention repose sur la constatatipn que cette situation n'était pas idéale car le courant d'air provenant du circuit I est nettement plus chaud que celui du circuit II (d'environ 50°C).
Les brevets britanniques 2 135 394 et 2 184 167 décrivent des dispositifs analogues à celui de la figure 1 et qui comprennent en particulier un double circuit de refroidissement par circulation d'air, mais des différences importantes existent . c'est ainsi que l'air du circuit II est le plus chaud et ne sert pas à
refroidir le disque mais les portions du rotor et du stator adjacentes à la chambre 16.
L'invention consiste à ajouter des pièces dont la fonction est de canaliser les écoulements afin que leur mélange soit exclu et que l'air du circuit II
originaire des injecteurs supérieurs 36 parvienne sans encombre sur la couronne extérieure 22 : cet air du circuit II est sensiblement plus frais que celui du premier circuit I, car le joint à labyrinthe ou à
brosse 17 qui lui est associé échauffe moins l' air que le joint à labyrinthe 23 de plus grand diamètre, et l'air du premier circuit I est centrifugé à la sortie du labyrinthe 23, donc comprimé, ce qui l'échauffe également.
Ce surcroît de réfrigération dü à l'air du second circuit compense largement la perte de réfrigération consécutive à la dérivation temporaire du courant d'air du premier écoulement, dont l'action est moindre.
..
4 Sous sa forme la plus générale, l'invention consiste donc en un dispositif de refroidissement d'un disque de turbine couvert par un flasque comprenant un premier et un second circuits de ventilation d'air originaires d'un stator et débouchant respectivement devant une couronne interne du disque et une couronne externe râdialement du flasque, une portion du premier circuit bifurquant vers un joint d'étanchéité disposé
entre le flasque et le stator, puis devant le flasque et parallèlement au flasque, vers la couronne externe du flasque, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce située devant la couronne externe, traversée de premiers canaux sensiblement parallèles à une surface de flanc du flasque et prolongeant le premier circuit de ventilation et de seconds canaux prolongeant le second circuit de ventilation, croisant les premiers canaux sans les couper, et se terminant devant la couronne externe.
D'autres particularités de l'invention seront plus facilement saisies à l'aide de la description détaillée d'une de ses réalisations, qui va maintenant être faite au moyen des figures suivantes .
- la figure 1, déjà décrite, illustre une conception déjà connue de turbines à gaz à laquelle l'invention peut être appliquée ;
- les figures 2 et 3 illustrent l'invention, la figure 3 étant une section selon la ligne A-A de la figure 2, et - la fiaure 4 illustre une amélioration possible.
L'élément fondamental de l'invention, représenté à la figure 2, est une couronne distributrice 30 solidaire du stator 6 et située immédiatement devant la couronne externe 22 à
refroidir, à peu de distance d'elle et en n'étant séparée d'elle par aucun obstacle. La couronne distributrice 30 est traversée de canaux axiaux 32 qui prolongent les injecteurs supérieurs 36 pour aboutir devant la couronne externe 22, et les canaux 32 sont
entre le flasque et le stator, puis devant le flasque et parallèlement au flasque, vers la couronne externe du flasque, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce située devant la couronne externe, traversée de premiers canaux sensiblement parallèles à une surface de flanc du flasque et prolongeant le premier circuit de ventilation et de seconds canaux prolongeant le second circuit de ventilation, croisant les premiers canaux sans les couper, et se terminant devant la couronne externe.
D'autres particularités de l'invention seront plus facilement saisies à l'aide de la description détaillée d'une de ses réalisations, qui va maintenant être faite au moyen des figures suivantes .
- la figure 1, déjà décrite, illustre une conception déjà connue de turbines à gaz à laquelle l'invention peut être appliquée ;
- les figures 2 et 3 illustrent l'invention, la figure 3 étant une section selon la ligne A-A de la figure 2, et - la fiaure 4 illustre une amélioration possible.
L'élément fondamental de l'invention, représenté à la figure 2, est une couronne distributrice 30 solidaire du stator 6 et située immédiatement devant la couronne externe 22 à
refroidir, à peu de distance d'elle et en n'étant séparée d'elle par aucun obstacle. La couronne distributrice 30 est traversée de canaux axiaux 32 qui prolongent les injecteurs supérieurs 36 pour aboutir devant la couronne externe 22, et les canaux 32 sont
5 séparés par des canaux sensiblement radiaux 31 qui croisent les précédents sans les couper, comme le montre le détail en section de la figure 3.
L'intérieur de la couronne distributrice 30 est agencé pour réduire au minimum les pertes de charges ;
c'est ainsi que les canaux axiaux 32 peuvent être raccordés à des injecteurs 36 de direction oblique, infléchis dans le sens de défilement du disque 2.
L'air de ventilation du second circuit II
emprunte les canaux axiaux 32 et n'est donc pas affecté
par l'air du circuit I, qui passe par les canaux radiaux 31 ; le mélange des écoulements ne se produit qu'à la périphérie du disque 2, au-delà de la couronne externe 22. Pour réduire encore les occasions de mélange, on peut construire le flasque 13 avec une léchette 33 sur sa surface de flanc 14, c'est-à-dire une crête dont l'extrémité libre 34 frôle la couronne distributrice 30 et dont le but est de guider l' air de l'écoulement I longeant la surface de flanc 29 du flasque 13 vers les canaux radiaux 31, sans lui permettre de se glisser jusqu'à la couronne externe 22.
Dans la réalisation illustrée où la partie de la couronne distributrice 30 porteuse des canaux 31 et 32 s'étend devant une portion radialement intérieure de la couronne externe 22, il est possible d'adjoindre à la couronne distributrice 30 un écran 35 parallèle à la couronne externe 22 et qui s'étend devant le reste de celle-ci, pour séparer par force les écoulements des deux circuits jusqu'au-delà de la couronne externe 22.
Le croisement des circuits I et II essentiel au refroidissement de disque 2 doit être distingué de leur
L'intérieur de la couronne distributrice 30 est agencé pour réduire au minimum les pertes de charges ;
c'est ainsi que les canaux axiaux 32 peuvent être raccordés à des injecteurs 36 de direction oblique, infléchis dans le sens de défilement du disque 2.
L'air de ventilation du second circuit II
emprunte les canaux axiaux 32 et n'est donc pas affecté
par l'air du circuit I, qui passe par les canaux radiaux 31 ; le mélange des écoulements ne se produit qu'à la périphérie du disque 2, au-delà de la couronne externe 22. Pour réduire encore les occasions de mélange, on peut construire le flasque 13 avec une léchette 33 sur sa surface de flanc 14, c'est-à-dire une crête dont l'extrémité libre 34 frôle la couronne distributrice 30 et dont le but est de guider l' air de l'écoulement I longeant la surface de flanc 29 du flasque 13 vers les canaux radiaux 31, sans lui permettre de se glisser jusqu'à la couronne externe 22.
Dans la réalisation illustrée où la partie de la couronne distributrice 30 porteuse des canaux 31 et 32 s'étend devant une portion radialement intérieure de la couronne externe 22, il est possible d'adjoindre à la couronne distributrice 30 un écran 35 parallèle à la couronne externe 22 et qui s'étend devant le reste de celle-ci, pour séparer par force les écoulements des deux circuits jusqu'au-delà de la couronne externe 22.
Le croisement des circuits I et II essentiel au refroidissement de disque 2 doit être distingué de leur
6 croisement précédent à l'endroit des orifices 8, qui n'a évidemment par le même rôle.
Si on se reporte maintenant à la figure 4, on constate que l'efficacité de l'invention est encore améliorée si l'air plus frais du second circuit II est encore refroidi. On profite pour cela de l'air du premier circuit, qui est temporairement plus frais avant qu'il n'ait franchi les injecteurs à haute pression ZO et le joint à labyrinthe ou à brosse 23 et après que l'air du second circuit a franchi son joint à
labyrinthe ou à brosse 17. I1 se trouve que les écoulements sont contigus dans une partie de cet état, puisqu'ils circulent alors dans le fond de chambre 28 et le canal divergent 20 qui ne sont séparés que par une cloison assez mince 37 du carter de stator 6. I1 suffit alors d'établir des obstacles 38 tels que des nervures, des bossages ou des ondulations sur les deux faces de cette cloison 37 pour favoriser l'échange de chaleur entre les deux écoulements.
Le disque de turbine 2 est porté à une température supérieure à 650°C dans la machine connue.
L'utilisation de l'invention permet de réduire cette température de plusieurs dizaines de degrés pour le flasque 13. Le progrès est important si on considère le haut niveau de qualité déjà atteint avec les moteurs existants ; il pourra être exploité en recourant à des matières moins coûteuses pour construire le disque 2 et son flasque 13, ou en réduisant les débits de refroidissement.
. SP 10827/JCI
Si on se reporte maintenant à la figure 4, on constate que l'efficacité de l'invention est encore améliorée si l'air plus frais du second circuit II est encore refroidi. On profite pour cela de l'air du premier circuit, qui est temporairement plus frais avant qu'il n'ait franchi les injecteurs à haute pression ZO et le joint à labyrinthe ou à brosse 23 et après que l'air du second circuit a franchi son joint à
labyrinthe ou à brosse 17. I1 se trouve que les écoulements sont contigus dans une partie de cet état, puisqu'ils circulent alors dans le fond de chambre 28 et le canal divergent 20 qui ne sont séparés que par une cloison assez mince 37 du carter de stator 6. I1 suffit alors d'établir des obstacles 38 tels que des nervures, des bossages ou des ondulations sur les deux faces de cette cloison 37 pour favoriser l'échange de chaleur entre les deux écoulements.
Le disque de turbine 2 est porté à une température supérieure à 650°C dans la machine connue.
L'utilisation de l'invention permet de réduire cette température de plusieurs dizaines de degrés pour le flasque 13. Le progrès est important si on considère le haut niveau de qualité déjà atteint avec les moteurs existants ; il pourra être exploité en recourant à des matières moins coûteuses pour construire le disque 2 et son flasque 13, ou en réduisant les débits de refroidissement.
. SP 10827/JCI
Claims (6)
1. Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine (2) couvert par un flasque (13) comprenant un premier (I) et un second (II) circuits de ventilation d'air originaires d'un stator (6) et débouchant respectivement devant une couronne interne (11) du disque et une couronne externe (22) du flasque (13), une portion du premier circuit (I) bifurquant vers un joint d'étanchéité (23) disposé entre le flasque et le stator, puis devant le flasque (13) et parallèlement au flasque, vers la couronne externe (22) du flasque, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce (30) située devant la couronne externe, traversée de premiers canaux (31) sensiblement parallèles à une surface de flanc (29) du flasque et prolongeant le premier circuit de ventilation et de seconds canaux (32) prolongeant le second circuit de ventilation, croisant les premiers canaux sans les couper, et se terminant devant la couronne externe (22).
2. Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le flasque (13) comprend une pièce (33) de guidage d'une portion centrifuge et courant le long de la surface de flanc (29) du flasque d'un écoulement d'air originaire du premier circuit de ventilation vers les premiers canaux (31).
3. Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce de guidage est une crête à bord (34) frôlant la pièce (30) traversée par les canaux, qui est fixée au stator (6).
4. Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce (30) traversée par les canaux comprend un écran (35) parallèle à la couronne externe (22) et situé entre celle-ci et les premiers canaux (31).
5. Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les premiers canaux (31) et l'écran (35) s'étendent devant respectivement des portions radialement interne et externe de la couronne externe (22).
6. Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant la revendication 1, où les circuits de ventilation possèdent des portions contiguës en aval d'un joint à labyrinthe ou à brosse (17) au travers du second circuit de ventilation mais en amont d'un autre joint à labyrinthe ou à brosse (23) au travers du premier circuit de ventilation, les joints à labyrinthe étant jetés entre le stator (6) et un rotor (4) auquel appartient la turbine, caractérisé en ce que les portions contiguës sont munies d'obstacles (38) fournissant un échange de chaleur entre les circuits.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9600521A FR2743844B1 (fr) | 1996-01-18 | 1996-01-18 | Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine |
| FR9600521 | 1996-01-18 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CA2195040A1 CA2195040A1 (fr) | 1997-07-19 |
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Family
ID=9488209
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CA002195040A Expired - Fee Related CA2195040C (fr) | 1996-01-18 | 1997-01-14 | Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5800125A (fr) |
| EP (1) | EP0785338B1 (fr) |
| CA (1) | CA2195040C (fr) |
| DE (1) | DE69701405T2 (fr) |
| FR (1) | FR2743844B1 (fr) |
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| US6773225B2 (en) | 2002-05-30 | 2004-08-10 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Gas turbine and method of bleeding gas therefrom |
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| DE102011101729B3 (de) * | 2011-05-17 | 2012-09-27 | Adc Gmbh | Verteilerleiste und Verteilerblock mit mindestens zwei Verteilerleisten |
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