CA2416150C - Diffuseur pour moteur a turbine a gaz terrestre ou aeronautique - Google Patents
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Abstract
Diffuseur (10) pour moteur à turbine à gaz, le diffuseur étant disposé entre un dernier étage d'une turbine et un carter d'échappement et comprenant une paroi annulaire externe (16a) et une paroi annulaire interne (16b) formant un passage annulaire (18) de fluide divergent dans le sens d'écoulement (F) du fluide, au moins l'une des parois annulaires (16a, 16b) comportant une pluralité d'orifices (20) s'ouvrant dans le passage annulaire et débouchant dans au moins un caisson (22) de collecte vers des moyens d'évacuation d'une partie du fluide de façon à diminuer la vitesse d'écoulement du fluide dans le passage annulaire.
Description
Titre de I invention Diffuseur pour moteur à turbine à gaz terrestre ou aéronautique Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des diffuseurs pour moteurs à turbine à gaz du type terrestre ou aéronautique.
Elle vise plus particulièrement des diffuseurs placés entre la turbine et le carter d'échappement d'un moteur à turbine à gaz.
Les turbines à gaz terrestres ou aéronautiques ont pour fonction de délivrer une puissance suffisamment élevée pour entraîner soit un alternateur (dans le cas de turbines terrestres) soit un compresseur (dans le cas de turbines aéronautiques). Pour ce faire, une turbine à gaz prélève et transforme en énergie mécanique une p<~rtie de l'énergie des gaz comprimés et chauds issus d'une chambre de combustion du moteur équipée de cette turbine. Une turbine se compose généralement de plusieurs étages, chaque étage comportant un distributeur et une roue mobile placée derrière le distributeur et destinée à accélérer l'écoulement des gaz. Les gaz issus du dernier étage de la turbine alimentent ensuite un carter d'échappement.
Le carter d°échappement placé immédiatement en aval de la turbine est constitué d'un diffuseur et de bras de carter quï ont essentiellement pour fonction de redresser l'écoulement gazeux dans le cas d'une sortie de turbine non axiale et de réaliser un passage d'air de refroidissement pour les parties internes du moteur. Le diffuseur permet de diminuer la vitesse et d'augmenter la pression des gaz issus du dernier étage de la turbine. A cet effet, le diffuseur se compose généralement de parois formant un passage pour les gaz qui .est divergent dans le sens d'ëcoulement des gaz comme I illustre le brevet US 2,594,042.
II est connu qu'un carter d'échappement subit des pertes de pression qui sont typiquement proportionnelles au carré de la vitesse des gaz au niveau du bord d'attaque des bras de carter. A titre d'exemple, pour une turbine terrestre, les gaz atteignent une vitesse voisine de 0,6 Mach à la sortie de ia roue mobile du dernia?r êtage de la turbine. Le diffuseur permet d'abaisser cette vitesse à environ 0,45 Mach au niveau du bord d'attaque des bras de carter, ce qui conduit à des pertes de pression de l'ordre de 5%. Une vitesse des g<~z de l'ordre de 0,45 Mach
Elle vise plus particulièrement des diffuseurs placés entre la turbine et le carter d'échappement d'un moteur à turbine à gaz.
Les turbines à gaz terrestres ou aéronautiques ont pour fonction de délivrer une puissance suffisamment élevée pour entraîner soit un alternateur (dans le cas de turbines terrestres) soit un compresseur (dans le cas de turbines aéronautiques). Pour ce faire, une turbine à gaz prélève et transforme en énergie mécanique une p<~rtie de l'énergie des gaz comprimés et chauds issus d'une chambre de combustion du moteur équipée de cette turbine. Une turbine se compose généralement de plusieurs étages, chaque étage comportant un distributeur et une roue mobile placée derrière le distributeur et destinée à accélérer l'écoulement des gaz. Les gaz issus du dernier étage de la turbine alimentent ensuite un carter d'échappement.
Le carter d°échappement placé immédiatement en aval de la turbine est constitué d'un diffuseur et de bras de carter quï ont essentiellement pour fonction de redresser l'écoulement gazeux dans le cas d'une sortie de turbine non axiale et de réaliser un passage d'air de refroidissement pour les parties internes du moteur. Le diffuseur permet de diminuer la vitesse et d'augmenter la pression des gaz issus du dernier étage de la turbine. A cet effet, le diffuseur se compose généralement de parois formant un passage pour les gaz qui .est divergent dans le sens d'ëcoulement des gaz comme I illustre le brevet US 2,594,042.
II est connu qu'un carter d'échappement subit des pertes de pression qui sont typiquement proportionnelles au carré de la vitesse des gaz au niveau du bord d'attaque des bras de carter. A titre d'exemple, pour une turbine terrestre, les gaz atteignent une vitesse voisine de 0,6 Mach à la sortie de ia roue mobile du dernia?r êtage de la turbine. Le diffuseur permet d'abaisser cette vitesse à environ 0,45 Mach au niveau du bord d'attaque des bras de carter, ce qui conduit à des pertes de pression de l'ordre de 5%. Une vitesse des g<~z de l'ordre de 0,45 Mach
2 reste toutefois une valeur élevée. En effet, la pente des parois composant le diffuseur ne doit pas dépasser une certaine valeur car il existe un risque d'épaississement de couches limites sur ses parois. Ces couches limites épaisses correspondent à des zones de décollement ou décrochement qui affectent le rendement du diffuseur. Ainsi, dans le cas de décollement sur les parois du diffuseur, la section aérodynamique à l'aval de celui-ci est beaucoup plus faible que la section géométrique ce qui empêche le diffuseur d°assurer sa fonction de diffusion. Par ailleurs, l'optimisation de la turbine en termes de coût, de masse et: de performances conduit généralement à des charges par étage élevées qui se traduisent par une vitesse de plus en plus importante des gaz à la sortie du dernier étage de la turbine.
~bj~et et résumé de l'invention La présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients en proposant un diffuseur pour turbine à gaz dans lequel les pertes de pression sont sensiblement réduites.
A cet effet, il est prévu un diffuseur pour moteur à turbine à
gaz, le diffuseur étant disposé entre un dernier étage d'une turbine et.un carter d'échappement et comprenant une paroi annulaire externe et une paroi annulaire interne formant un passage annulaire de fluide divergent dans le sens d'écoulement du fluide, caractérisé en ce qu'au moins l'une des parois annulaires comporte une pluralité d°orifices s'ouvrant dans le passage annulaire et débouchant dans au moins un caisson de collecte vers des moyens d°évacuation d'une partie du fluide de façon à diminuer la vitesse d'écoulement du fluide dans le passage annulaire.
~e la sorte, les orifices pratiqués dans au moins une des parois annulaires du diffuseur évacuent, par I°intermédiaire du caisson de collecte, une partie du fluide traversant le passage annulaire ce qui permet de diminuer la vitesse d'écoulement du fluide dans le passage annulaire et donc de minimiser les pertes de pression. Tout risque d'épaississement de couches limites sur les parois du diffuseur et de décollement est par ailleurs éliminé. Le ou les caissons de collecte sont par ailleurs reliés à au moins un canal d'évacuation du fluide.
Avantageusement, le diffuseur comporte en outre des moyens d'aspiration
~bj~et et résumé de l'invention La présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients en proposant un diffuseur pour turbine à gaz dans lequel les pertes de pression sont sensiblement réduites.
A cet effet, il est prévu un diffuseur pour moteur à turbine à
gaz, le diffuseur étant disposé entre un dernier étage d'une turbine et.un carter d'échappement et comprenant une paroi annulaire externe et une paroi annulaire interne formant un passage annulaire de fluide divergent dans le sens d'écoulement du fluide, caractérisé en ce qu'au moins l'une des parois annulaires comporte une pluralité d°orifices s'ouvrant dans le passage annulaire et débouchant dans au moins un caisson de collecte vers des moyens d°évacuation d'une partie du fluide de façon à diminuer la vitesse d'écoulement du fluide dans le passage annulaire.
~e la sorte, les orifices pratiqués dans au moins une des parois annulaires du diffuseur évacuent, par I°intermédiaire du caisson de collecte, une partie du fluide traversant le passage annulaire ce qui permet de diminuer la vitesse d'écoulement du fluide dans le passage annulaire et donc de minimiser les pertes de pression. Tout risque d'épaississement de couches limites sur les parois du diffuseur et de décollement est par ailleurs éliminé. Le ou les caissons de collecte sont par ailleurs reliés à au moins un canal d'évacuation du fluide.
Avantageusement, le diffuseur comporte en outre des moyens d'aspiration
3 de façon à commander et contrôler un débit déterminé de fluide à
évacuer.
Les orifices pratiqués dans au moins une des parois annulaires peuvent être des trous ou des fentes circulaires sensiblement perpendiculaires à la paroi ou des trous ou des fentes circulaires sensiblement inclinées dans le sens d'écoulement du fluide par rapport à
la paroi.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantagE,s de la présente invention ressortiront de la descrïption 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 longitudinale d'un diffuseur selon la présente invention ; et - la figure ia est une vue partielle d'un second mode de réalisation d'un diffuseur selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue en coupe liongitudinale d'un diffuseur selon l'invention appliqué à un moteur à turbine à gaz aéronautique à
double flux.
Description détaillée d'un mode de réalisation Sur 1a figure 1, on voit que le diffuseur 10 est disposé
immédiatement en aval d'une roue mobile 1~> d'un dernier étage d'une turbine à gaz dans le sens d'écoulement (indiqué par la flèche F) d'un fluide gazeux issu de cette turbine. Un bras de carter 14 ayant notamment pour fonction de redresser l'écoulement gazEUx est monté en aval du diffuseur 10.
Le diffuseur 10 comporte une paroi annulaïre externe 16a et une paroi annulaire interne 16b de façon à former un passage annulaire 18 pour les gaz issus de la turbine. Les parois 16a, 16b sont arrangées de sorte que le passage annulaire 18 soit divergent dans le sens d'écoulement gazeux F de façon à diminuer la vitesse d'écoulement et d'augmenter la pression des gaz le traversant. La paroi externe 16a est divergente tandis que la paroi interne 16b est sensiblement parallèle à un axe (non représenté) du moteur équipé de ce diffuseur. On peut aussi
évacuer.
Les orifices pratiqués dans au moins une des parois annulaires peuvent être des trous ou des fentes circulaires sensiblement perpendiculaires à la paroi ou des trous ou des fentes circulaires sensiblement inclinées dans le sens d'écoulement du fluide par rapport à
la paroi.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantagE,s de la présente invention ressortiront de la descrïption 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 longitudinale d'un diffuseur selon la présente invention ; et - la figure ia est une vue partielle d'un second mode de réalisation d'un diffuseur selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue en coupe liongitudinale d'un diffuseur selon l'invention appliqué à un moteur à turbine à gaz aéronautique à
double flux.
Description détaillée d'un mode de réalisation Sur 1a figure 1, on voit que le diffuseur 10 est disposé
immédiatement en aval d'une roue mobile 1~> d'un dernier étage d'une turbine à gaz dans le sens d'écoulement (indiqué par la flèche F) d'un fluide gazeux issu de cette turbine. Un bras de carter 14 ayant notamment pour fonction de redresser l'écoulement gazEUx est monté en aval du diffuseur 10.
Le diffuseur 10 comporte une paroi annulaïre externe 16a et une paroi annulaire interne 16b de façon à former un passage annulaire 18 pour les gaz issus de la turbine. Les parois 16a, 16b sont arrangées de sorte que le passage annulaire 18 soit divergent dans le sens d'écoulement gazeux F de façon à diminuer la vitesse d'écoulement et d'augmenter la pression des gaz le traversant. La paroi externe 16a est divergente tandis que la paroi interne 16b est sensiblement parallèle à un axe (non représenté) du moteur équipé de ce diffuseur. On peut aussi
4 envisager que la paroi interne 16b soit divergente et la paroi externe 16a paralléle à cet axe du moteur.
Selon l'invention, le diffuseur 10 présente, au niveau de sa paroi annulaire externe 16a et/ou de sa paroi interne 16b, une pluralité
d'orifices 20 s'ouvrant dans le passage annulaire 18 et débouchant dans au moins un caisson 22 de collecte vers des moyens d'évacuation d'une partie des gaz traversant ce passage annulaire.
Sur la figure 1, seule la paroi externe 16a est équipée d'orifices 20. Les orifices 20 représentés sont des trous sensiblement inclinés dans le sens d'écoulement F des gaz par rapport à la paroi externe 16a. On peut aussi envisager que les orifices 20 soient des trous sensiblement perpendiculaires à la paroi externe 16a et/ou de sa paroi interne 16b (figure 2).
Selon une seconde variante illustrée par la figure 1a, les orifices 20 peuvent étre formés de plusieurs fentes circulaires s°étendant selon un secteur angulaire de la paroi externe 16a. Ces fentes peuvent également être sensiblement perpendiculaires ou sensiblement inclinées dans le sens d°écoulement F des gaz par rapport à la paroi externe 16a.
Selon encore une autre variante non représentée, les orifices 20 peuvent être composés d'une ou de plusieurs fentes de type « écope »
dont les parois amont et aval sont décalées radialement. Ce type de fentes à chanfrein permet de réaliser un meilleur guidage des gaz dirigés vers les moyens d'évacuation.
II peut ëtre prévu un unique caissa~n annulaire 22 de collecte des gaz à évacuer pour tous les orifices 20 ou bien un caisson, par exemple de forme cylindrique, par orifice 20 (ooa pour plusieurs orifices) de façon à assurer une meilleure homogénéité du débit des gaz à évacuer.
Le ou les caissons 22 de collecte de gaz sont de préférence reliés â au moins un canal d'évacuation 24 des gaz. Un seul ou plusieurs canaux d'évacuation 24 peuvent être prévus par caisson 22. Dans le cas où c'est la paroi interne 16b du diffuseur qui e:àt munie d'orifices 20, le ou les canaux 24 peuvent par exemple passer par le bras de carter 14 pour évacuer les gaz vers I°extérieur du diffuseur.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le diffuseur comporte en outre des mayens d'aspiration 26 de la partie des gaz à évacuer. Ces moyens d'aspiration 26 peuvent être composés d'une vanne de pilotage, d'une pompe, d'un compresseur ou de tout autre systéme permettant d'aspirer un débit voulu de gaz. Ainsi, il est possible de commander et de contr~ler un débit détermüné de gaz à évacuer.
Toutefois, si un tel contrôle du débit des gaz à évacuer ne
Selon l'invention, le diffuseur 10 présente, au niveau de sa paroi annulaire externe 16a et/ou de sa paroi interne 16b, une pluralité
d'orifices 20 s'ouvrant dans le passage annulaire 18 et débouchant dans au moins un caisson 22 de collecte vers des moyens d'évacuation d'une partie des gaz traversant ce passage annulaire.
Sur la figure 1, seule la paroi externe 16a est équipée d'orifices 20. Les orifices 20 représentés sont des trous sensiblement inclinés dans le sens d'écoulement F des gaz par rapport à la paroi externe 16a. On peut aussi envisager que les orifices 20 soient des trous sensiblement perpendiculaires à la paroi externe 16a et/ou de sa paroi interne 16b (figure 2).
Selon une seconde variante illustrée par la figure 1a, les orifices 20 peuvent étre formés de plusieurs fentes circulaires s°étendant selon un secteur angulaire de la paroi externe 16a. Ces fentes peuvent également être sensiblement perpendiculaires ou sensiblement inclinées dans le sens d°écoulement F des gaz par rapport à la paroi externe 16a.
Selon encore une autre variante non représentée, les orifices 20 peuvent être composés d'une ou de plusieurs fentes de type « écope »
dont les parois amont et aval sont décalées radialement. Ce type de fentes à chanfrein permet de réaliser un meilleur guidage des gaz dirigés vers les moyens d'évacuation.
II peut ëtre prévu un unique caissa~n annulaire 22 de collecte des gaz à évacuer pour tous les orifices 20 ou bien un caisson, par exemple de forme cylindrique, par orifice 20 (ooa pour plusieurs orifices) de façon à assurer une meilleure homogénéité du débit des gaz à évacuer.
Le ou les caissons 22 de collecte de gaz sont de préférence reliés â au moins un canal d'évacuation 24 des gaz. Un seul ou plusieurs canaux d'évacuation 24 peuvent être prévus par caisson 22. Dans le cas où c'est la paroi interne 16b du diffuseur qui e:àt munie d'orifices 20, le ou les canaux 24 peuvent par exemple passer par le bras de carter 14 pour évacuer les gaz vers I°extérieur du diffuseur.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le diffuseur comporte en outre des mayens d'aspiration 26 de la partie des gaz à évacuer. Ces moyens d'aspiration 26 peuvent être composés d'une vanne de pilotage, d'une pompe, d'un compresseur ou de tout autre systéme permettant d'aspirer un débit voulu de gaz. Ainsi, il est possible de commander et de contr~ler un débit détermüné de gaz à évacuer.
Toutefois, si un tel contrôle du débit des gaz à évacuer ne
5 s°avère pas nécessaire, les gaz traversant les orifices 20 pratiqués dans la paroi externe 16a et/ou la paroi interne 16b peuvent déboucher directement à l'extérieur du diffuseur sans passer par des caissons et des canaux d'évacuation. En effet, dans ce cas, ia seule différence de pression des gaz entre le passage annulaire 18 et l'extérieur du diffuseur permet tout de même d'aspirer les gaz au travers des orifices 20.
La figure 2 représente un diffuseur selon l'invention appliqué à
un moteur à turbine à gaz aéronautique à double flux. Le diffuseur 10 est disposé immédiatement en aval d'une roue mobile 12 d'un dernier étage d'une turbine à gaz. Les parois externe 16a et interne 16b de ce diffuseur définissent un premier passage annulaire divergent 18 pour les gaz issus de la turbine. Ce premier passage 18 est communément appelé e< flux chaud ». Une paroi supplémentaire 16c disposée coaxialement aux parois 16a, 16b du diffuseur permet de définir un second passage annulaire 28 pour l'air aspiré par la soufflante (non représentée) du moteur. Ce second passage 28 est désigné comme étant le « flux froid ».
Selon I°invention, la paroi interne ~.6b présente une pluralité
d'orifices 20 s'ouvrant dans le premier passage annulaire 18 et débouchant dans au moins un caisson 22 de collecte relié à au moins un canal d'évacuation 24 des gaz. Le ou les canai.sx d'évacuation 24 passent le bras de carter 14 monté dans le premier passage annulaire 18 et par un bras de carter 30 monté dans le second passage annulaire 28. Le diffuseur peut comporter en outre des moyens d'aspiration 26 de la partie des gaz à
évacuer.
La figure 2 représente un diffuseur selon l'invention appliqué à
un moteur à turbine à gaz aéronautique à double flux. Le diffuseur 10 est disposé immédiatement en aval d'une roue mobile 12 d'un dernier étage d'une turbine à gaz. Les parois externe 16a et interne 16b de ce diffuseur définissent un premier passage annulaire divergent 18 pour les gaz issus de la turbine. Ce premier passage 18 est communément appelé e< flux chaud ». Une paroi supplémentaire 16c disposée coaxialement aux parois 16a, 16b du diffuseur permet de définir un second passage annulaire 28 pour l'air aspiré par la soufflante (non représentée) du moteur. Ce second passage 28 est désigné comme étant le « flux froid ».
Selon I°invention, la paroi interne ~.6b présente une pluralité
d'orifices 20 s'ouvrant dans le premier passage annulaire 18 et débouchant dans au moins un caisson 22 de collecte relié à au moins un canal d'évacuation 24 des gaz. Le ou les canai.sx d'évacuation 24 passent le bras de carter 14 monté dans le premier passage annulaire 18 et par un bras de carter 30 monté dans le second passage annulaire 28. Le diffuseur peut comporter en outre des moyens d'aspiration 26 de la partie des gaz à
évacuer.
Claims (10)
1. Diffuseur (10) pour moteur à turbine à gaz, ledit diffuseur étant disposé entre un dernier étage d'une turbine et un carter d'échappement et comprenant une paroi annulaire externe (16a) et une paroi annulaire interne (16b) formant un passage annulaire (18) de fluide divergent dans le sens d'écoulement (F) dudit fluide, caractérisé en ce qu'au moins l'une des parois annulaires (16a, 16b) comporte une pluralité
d'orifices (20) s'ouvrant dans ledit passage annulaire et débouchant dans au moins un caisson (22) de collecte vers des moyens d'évacuation d'une partie dudit fluide de façon à diminuer la vitesse d'écoulement dudit fluide dans ledit passage annulaire.
d'orifices (20) s'ouvrant dans ledit passage annulaire et débouchant dans au moins un caisson (22) de collecte vers des moyens d'évacuation d'une partie dudit fluide de façon à diminuer la vitesse d'écoulement dudit fluide dans ledit passage annulaire.
2. Diffuseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pluralité d'orifices (20) débouche dans un unique caisson annulaire (22) de collecte de la partie de fluide à évacuer.
3. Diffuseur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins un caisson (22) est relié à au moins un canal d'évacuation (24) de fluide.
4. Diffuseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit au moins un canal d'évacuation (24) de fluide passe par des bras de carter (14, 30) montés dans ledit passage annulaire (18) définissant un flux chaud du moteur à turbine à gaz et par un second passage annulaire (28) définissant un flux froid coaxial audit passage annulaire (18).
5. Diffuseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'aspiration (26) de la partie de fluide à évacuer.
6. Diffuseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que lesdits orifices (20) sont des trous sensiblement perpendiculaires à ladite paroi annulaire.
7 7. Diffuseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits orifices (20) sont des trous sensiblement inclinés dans le sens d'écoulement (F) dudit fluide par rapport à ladite paroi annulaire.
8. Diffuseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits orifices (20) sont des fentes circulaires sensiblement perpendiculaires à ladite paroi annulaire.
9. Diffuseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits orifices (20) sont fentes circulaires sensiblement inclinées dans le sens d'écoulement (F) dudit fluide par rapport à ladite paroi annulaire.
10. Diffuseur selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé
en ce que lesdits orifices (20) sont des fentes chanfreinées afin d'améliorer le guidage de la partie de fluide à évacuer vers lesdits moyens d'évacuation.
en ce que lesdits orifices (20) sont des fentes chanfreinées afin d'améliorer le guidage de la partie de fluide à évacuer vers lesdits moyens d'évacuation.
Applications Claiming Priority (2)
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